СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ "ДОЛОТО-ЗАБОЙ"

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения.

Известен способ регулирования условий бурения скважин и компановка низа буровой колонны для его осуществления (пат. РФ №2550117, Е21В 44/00, опубл. 10.05.2015. Бюл. №13), в котором долото представляют трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, причем канал числа оборотов долота и канал нагрузки на долото реализуют первый этап процесса бурения - разрушение горной породы забоя путем расхода механической мощности, а канал расхода промывочной жидкости реализует второй этап углубления - очистку забоя от разрушенной породы путем расхода гидравлической энергии, при этом оба этапа осуществляются в единовременном взаимодействии, являющимся, в свою очередь источником канальных обратных связей и межканальных связей, определяющих основу регулирования условий процесса бурения.

Недостатком прототипа является, во-первых, отсутствие геологического (петрофизического) параметра, характеризующего горную породу забоя - твердость горной породы в забойных условиях Р_ш.з., с которым разрушительно взаимодействует вооружение долота и который определяет механическую скорость бурения. Поэтому долото в прототипе рассматривается как таковое, преобразующее механическую и гидравлическую энергию в механическую скорость параметра горной породы забоя.

Процесс бурения реализуется в два единовременных этапа:

- этапа разрушения горной породы забоя;

- этапа очистки забоя от разрушенной породы.

Указанный недостаток не позволяет увязать в единое целое этапы процесса бурения и технологические параметры, их реализующие, в систему «долото-забой», без забойного геологического (петрофизического) параметра.

Задачей изобретения является формирование системы «долото-забой» и определение коэффициента преобразования системы «долото-забой» или коэффициента бурения, учитывающего, с одной стороны, параметр, характеризующий геологические (петрофизические) свойства породы забоя, а с другой - комплекс параметров, характеризующих энергетические затраты на процесс бурения.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения коэффициента преобразования системы «долото-забой», основанный на представлении долота трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей в углубление, причем первый этап процесса бурения - разрушение горной породы забоя путем расходования механической мощности, и второй этап углубления - очистка забоя от разрушенной породы путем расходования гидравлической мощности, согласно предлагаемому изобретению этапы разрушения горной породы и очистки забоя от разрушенной породы рассматривают как систему «долото-забой», формируемую из двух последовательно включенных преобразователей: преобразователя разрушения горной породы забоя и преобразователя очистки забоя от разрушенной породы, при этом функционирование системы «долото-забой» определяется коэффициентом преобразования вида

где Р_ш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

Q - расход промывочной жидкости;

n - число оборотов долота в единицу времени;

G - нагрузка на долото.

Кроме того, систему «долото-забой» характеризуют выходным параметром - механическая скорость бурения, определяемая комплексными коэффициентами преобразования, представляющими собой математические зависимости, определяемые комплексом параметров системы «долото-забой» вида

где - соответственно, коэффициенты преобразования расхода промывочной жидкости, нагрузки на долото, числа оборотов долота, твердости горной породы в механическую скорость долота;

Q - расход промывочной жидкости;

G - нагрузка на долото;

n - число оборотов долота;

Р_ш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

- размерный коэффициент;

V₁₃ - объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на породу забоя;

- коэффициент седиментации;

- скорость оседания частиц шлама в потоке промывочной жидкости;

- скорость промывочной жидкости;

S_ko - площадь контактной рабочей поверхности зуба;

γ_п - удельный вес разрушаемой породы;

γ_зп ^_ удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γ_ж - удельный вес промывочной жидкости закачиваемой в скважину.

В известном способе долото представляется трехканальным преобразователем механической и гидравлической мощностей, расходуемых на забое в углубление. Согласно предлагаемому изобретению формируемая система «долото-забой» представляется двумя преобразователями, каждый из которых соответствует определенному этапу процесса бурения: преобразователь разрушения горной породы забоя и преобразователь очистки забоя от разрушенной породы. Поскольку процесс разрушения породы предшествует процессу очистки разрушенной породы то преобразователи должны быть включены последовательно, тем самым формируя систему «долото-забой».

Внешние силовые параметры: число оборотов системы n и нагрузка на не G, а также расход промывочной жидкости Q, являются входными параметрами преобразователя разрушения породы забоя. Геологический параметр Р_ш.з. является выходным параметром преобразователя разрушения.

Для доказательства этого рассмотрим взаимодействие индентора с горной породой. Процесс взаимодействия будем рассматривать, как два преобразователя осуществляют внедрение индентора в породу на глубину l' (выход) под действием силы G (вход). Тогда коэффициент преобразования запишем

Второй преобразователь осуществляет преобразования внедренного индентора на длину l'' (вход) в силу сопротивления (реакцию) породы Р (выход). Тогда

где k'' - коэффициент преобразования углубленного индентора в силу сопротивления породы.

На основании (а) и (б) запишем

где k - коэффициент преобразования внедрения индентора в силу породы.

В общем l'>l'' из-за помех, например некачественная очистка забоя. Однако можно считать, что l'=l''. Тогда

где γ - коэффициент пропорциональности;

Р_ш.з. - твердость горной породы в забойных условиях.

Из полученного выражения видно, что Р_ш.з. является выходным параметром по определению. Поэтому параметр Р_ш.з. можно считать выходным параметром преобразователя разрушения. Параметр расхода промывочной жидкости Q в разрушении породы не участвует, а только способствует ему путем проникновения жидкости в поры породы, облегчая разрушение. Поэтому на выходе преобразователя разрушения два параметра Р_ш.з. и Q, поскольку функции параметров n и G на этом заканчиваются. Функции же расхода промывочной жидкости Q реализуются непосредственно во втором преобразователе - преобразователе очистки, определяемые коэффициентом преобразования расхода в зависимости от твердости горной породы. При этом на выходе преобразователя очистки два выходных параметра Q и При этом скорость бурения в зарождается именно в процессе очистки забоя от разрушенной породы.

Все сказанное поясняется эквивалентной схемой рассматриваемой модели системы «долото-забой», приведенной на фигуре, на которой: 1 - система «долото-забой»; 2 - преобразователь разрушения породы забоя; 3 - преобразователь очистки забоя от разрушенной породы.

На основании вышеизложенного и фиг. можно записать

где k' - коэффициент преобразования, определяющий зависимость скорости вращения долота системы «долото-забой» от твердости горной породы.

Аналогично запишем

где k'' - коэффициент преобразования, определяющий зависимость нагрузки на долота системы «долото-забой» от твердости горной породы.

Тогда коэффициент преобразования преобразователем разрушения системы «долото-забой» будет

Коэффициент преобразования преобразователя очистки системы будет

На основании выражений (3) и (4) коэффициент преобразования системы «долото-забой» можно записать

Из полученного выражения (5) коэффициента преобразования системы «долото-забой» видно:

1. произведение в знаменателе силовых параметров числа оборотов долота n и нагрузки на долото G определяет этап разрушения горной породы забоя;

2. произведение силового параметра расхода промывочной жидкости Q на геологический параметр твердости горной породы Р_ш.з. в числителе определяет этап очистки забоя от разрушенной породы.

На выходе системы «долото-забой» (Фиг.) формируется обобщенный параметр процесса бурения - механическая скорость. Кроме того, известно выражение, связывающее четыре рассматриваемых параметра системы «долото-забой» (Пат. РФ №2499887 от 27.11.2013. Бюл. №33) и имеющее вид

где Q - расход промывочной жидкости;

G - нагрузка на долото;

n - число оборотов долота;

Р_ш.з. - твердость горной породы в забойных условиях;

- размерный коэффициент;

V₁₃ - объем разрушенной породы за единичный акт воздействия зуба долота на породу забоя;

- коэффициент седиментации;

- скорость оседания частиц шлама в потоке промывочной

жидкости;

- скорость промывочной жидкости;

S_ko - площадь контактной рабочей поверхности зуба;

γ_п - удельный вес разрушаемой породы;

γ_зп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;

γ_ж - удельный вес промывочной жидкости закачиваемой в скважину.

Из выражения (6, а) имеем

Из приведенных выражений (6, а-г) и выходного параметра системы «долото-забой» - механической скорости бурения имеем:

где k_Q - комплексный коэффициент преобразования гидравлической энергии - расхода промывочной жидкости в механическую скорость бурения;

где k_G - комплексный коэффициент преобразования механической энергии - нагрузки на систему «долото-забой» в механическую скорость бурения;

где k_n - комплексный коэффициент преобразования механической энергии числа оборотов системы долото-забой и в механическую скорость бурения;

где Р_ш.з. - комплексный коэффициент преобразования геологического параметра - твердости породы забоя в механическую скорость бурения.

Таким образом, функционирование сформированной из двух преобразователей системы «долото-забой» определяется коэффициентом преобразования

в котором параметры системы распределены по выполняемым при бурении функциям и согласуются с гармонично увязывающими эти параметры выражением

на основе которого выходной параметр системы - механическая скорость бурения определяется коэффициентами преобразования, представляющими собой комплексы параметров системы.

Техническим результатом полученных коэффициентов преобразования (5), (7а-г) является возможность определения наилучшего сочетания технических параметров, обеспечивающих сочетания технических параметров, обеспечивающих наибольшую механическую скорость бурения в конкретных геологических условиях, определяемых твердостью горной породы.