СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ НА ВЫХОДЕ БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ
METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING FLOW RATE OF FLUSHING LIQUID AT OUTLET OF DRILLED WELL

Изобретение относится к способам определения расхода промывочной жидкости (ПЖ) на выходе бурящейся скважины.
Измерение расхода промывочной жидкости на выходе из скважины - задача более актуальная, чем измерение ее на входе. Обусловлено это как поглощением промывочной жидкости при вскрытии пластов-коллекторов, так и притоком в скважину пластовых флюидов. Поэтому расход на выходе - величина переменная с большим диапазоном изменения. В настоящее время объемный метод измерения расхода промывочной жидкости, осуществляемый турбинными, ультразвуковыми, индукционными и т.д. расходомерами, является основным и единственным методом, используемым при бурении скважин, который не учитывает плотности жидкости. Достоинство это или недостаток метода определяют условия его конкретного применения. При бурении промывка скважины, осуществляемая промывочной жидкостью, является основным технологическим процессом, поскольку осуществляет одновременно несколько функций, одной из основных которых является создание противодавления в скважине. Реализуется эта функция с помощью плотности, т.е плотность является одним из основных параметров промывочной жидкости. Поэтому неучитывание плотности при измерении расхода промывочной жидкости при бурении объемным методом можно считать его недостатком.
Наиболее близким способом определения расхода промывочной жидкости является способ, основанный на контроле потока промывочной жидкости на выходе индикатором потока типа ИПБР-3310, применяемым в станции ГТИ для измерения расхода в желобе (технологические датчики станции ГТИ «Разрез-2» приложение 2 на диске Лукьянов Э.Е. «Информационно-измерительные системы геолого-технологических и геофизических исследований в процессе бурения». - Новосибирск: Издательский дом «Историческое наследие Сибири», 2010. - 816 с. с приложениями на CD).
ИПБР-3310 представляет собой конструкцию, в которой лопатка, помещенная в поток промывочной жидкости, отклоняется под действием потока жидкости. Угол отклонения лопатки преобразуется в выходной аналоговый или цифровой сигнал. В корпусе ИПБР расположен подшипниковый узел, в котором вращается ось с магнитом, жестко связанная с лопаткой. При отклонении лопатки поворачивается магнит. Учет поворота магнитного поля измеряется магниточувствительной схемой, расположенной в корпусе блока электроники, и в цифровом или аналоговом виде (в зависимости от варианта исполнении ИПБР) поступает в систему регистрации. Измеряемая скорость движения промывочной жидкости пропорциональна углу отклонения лопатки под воздействием потока.
Таким образом, как метод объемного измерения расхода, так и индикатор потока промывочной жидкости, применяемый как измерительное средство, не соответствуют современным требованиям определения расхода промывочной жидкости на выходе скважины, т.е. в совокупности это их недостаток.
Задача изобретения - определение расхода промывочной жидкости на выходе бурящейся скважины на основе массового метода измерения расхода, учитывающего плотность промывочной жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения расхода промывочной жидкости на выходе бурящейся скважины, основанном на измерении изменения сигнала датчика, учитывающего выходной поток промывочной жидкости, протекающей через желоб, согласно предлагаемому изобретению желоб выполняют в виде двух шарнирно соединенных между собой частей - подвижной и неподвижной, измеряют силу, создаваемую весом промывочной жидкости, протекающей по подвижному концу желоба, установленным под его днищем датчиком силы, преобразующем силу в электрический сигнал по алгоритму
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mi>g</mi><mi>l</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
вых0
где U - выходное напряжение датчика силы при условии равенства входного и выходного объемного расхода и входной и выходной плотности промывочной жидкости;
вых1
U - выходное напряжение датчика силы при условии равенства входного и выходного объемного расхода, а плотность промывочной жидкости в затрубном пространстве больше плотности на входе за счет насыщения жидкости результатами разрушения забоя после их взаимодействия, а также при притоке или поглощении при прохождении пластов-коллекторов;
k - коэффициент преобразования схемы измерения силы (датчика);
l - расстояние от торца подвижного конца желоба до места установки датчика силы;
ж
ρ - плотность промывочной жидкости на входе скважины;
нас
ρ - добавочная плотность промывочной жидкости после взаимодействия ее с разрушаемым забоем (в затрубном пространстве);
g - ускорение свободного падения;
вых
Q - объемный расход промывочной жидкости на выходе скважины;
вх
Q - объемный расход промывочной жидкости на входе скважины.
Кроме того, в нулевом режиме, когда осуществляют промывку скважины без бурения, т.е. объемный расход промывочной жидкости и ее плотность на входе и выходе равны между собой, определяют коэффициент преобразования схемы измерения по алгоритму:
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mi>g</mi><mi>l</mi><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Кроме того, при бурении в стабильных геологических скважинных условиях - первый режим, когда объемные расходы промывочной жидкости на входе и выходе скважины равны между собой, а ее плотность на выходе скважины превышает плотность на входе за счет насыщения промывочной жидкости продуктами разрушения забоя после их взаимодействия, определяют добывочную плотность промывочной жидкости по алгоритму:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub></mrow>
.
Кроме того, при бурении в неустойчивых геологических скважинных условиях - второй режим, когда объемный расход промывочной жидкости на выходе скважины превышает объемный расход на ее входе - приток, расход на выходе скважины определяют по алгоритму
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
вых2
вых1
, где U>U
Кроме того, при бурении в устойчивых геологических скважинных условиях - третий режим, когда объемный расход промывочной жидкости на входе скважины превышает объемный расход на ее выходе - поглощение, расход на выходе скважины определяют по алгоритму:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
вых3
вых1
, где U>U
Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве определения расхода промывочной жидкости на выходе бурящейся скважины, содержащем желоб с установленным в нем датчиком для измерения сигнала, согласно предлагаемому изобретению желоб выполнен из двух частей - неподвижной и подвижной, шарнирно соединенных между собой, при этом конец подвижной части установлен с возможностью перемещения по вертикали под действием изменяющегося веса протекающей промывочной жидкости, измерение этого перемещения осуществляют датчиком силы, установленным под днищем подвижной части желоба на кронштейне, соединенном и с неподвижной частью желоба, при этом датчик силы может быть установлен на различных расстояниях от торца подвижной части желоба.
Кроме того, изменение перемещения подвижного конца желоба осуществляют датчиком перемещения, основанным на любом принципе действия: потенциометрическом, индукционном, индуктивном, оптическом и др., обеспечивающем необходимую чувствительность.
Рассмотрим четыре возможных режима работы промывочной (циркуляционной) системы, обусловленных технологическими и геологическими условиями, возникающими в процессе бурения скважины и каким образом отражает эти режимы предлагаемый способ.
Нулевой режим - режим промывки скважины (без бурения), когда объемный расход промывочной жидкости и ее плотность на входе и выходе скважины равны между собой т.е.
В этом случае усилие создаваемое на датчик силы, являющейся по сути моментом будет:
<mrow />
ж
вх
где P=ρQg - вес промывочной жидкости находящейся на подвижной части желоба;
2
g - ускорение свободного падения, ускорение силы тяжести [м/с];
l - расстояние от торца подвижного конца желоба до места установки датчика силы.
Тогда можно записать:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><msub><mi>F</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
вых0
где U - выходной сигнал датчика в виде электрического напряжения, т.е. датчик рассматриваем как преобразователь неэлектрической величины в электрическую;
k = коэффициент преобразования датчика силы, который для линейных преобразователей совпадает с чувствительностью.
Из полученного выражения с учетом предыдущих выражений имеем:
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mi>g</mi><mi>l</mi><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
вых0
Полученное выражение позволяет определить требования к датчику силы исходя из изменения рабочих диапазонов расхода промывочной жидкости и ее плотности, а также конструктивных требований к подвижной части желоба - ее длине и расстоянию установки датчика от торца подвижной части желоба, поскольку все это в совокупности определяет чувствительность датчика. Кроме того, значение U определяет «нулевой» уровень всей системы определения расхода промывочной жидкости.
1. Первый режим - бурение в стабильных геологических условиях, когда объемные расходы промывочной жидкости на входе и выходе скважины равны между собой, т.е.
Однако массовые расходы в этом случае будут различные, поскольку при массовом измерении расхода учитывается плотность промывочной жидкости. Действительно, плотность промывочной жидкости, прошедшей через разрушаемый забой, будет несколько отличаться от входной плотности за счет насыщения ее результатами разрушения забоя: шламом от первой до четвертой фракций, забойными (пластовыми) флюидом и газом, т.е.
зп
где ρ - плотность затрубного пространства.
В силу сказанного выше и выражения (6) плотность промывочной жидкости в затрубном пространстве представим в виде:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>з</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>         </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>7</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
нас
где ρ - плотность насыщения промывочной жидкости.
Но в этом случае изменяется (увеличится) усилие воздействующее на датчик силы, тогда запишем, учтя выражение (5) и (7)
или
Из выражения (8) с учетом формулы (4) имеем:
или
нас
ж
зп
ж
Из полученного выражение (9) видно, что дополнительная плотность промывочной жидкости насыщения ρ определяется частью плотности промывочной жидкости ρ, и поскольку дробь в выражении  то количественно выходящая из скважины плотность незначительно больше входящей, что доказывает правомерность выражения (6), т.е. ρ>ρ.
2. Второй режим - бурение осуществляется в нестабильных геологических условиях, когда наблюдается проявление, т.е. расход на выходе из скважины превышает расход на входе, из-за притока жидкости из пласта, т.е.
Тогда разница между усилием прикладываемым на датчик силы увеличившимся расходом на выходе и нулевым усилием будет:
ж
вх
Из выражение (2) lgρQ тогда выражение (11) будет:
Из выражения (9)  подставим это значение в (12) получим:
Из выражения (13) имеем
Из (12) определяем  тогда
или
2
1
вых2
вых1
вых
вх
Поскольку F>F, а следовательно U>U, то Q>Q, что совпадает с выражением (10), т.е. что и требовалось доказать.
3. Третий режим - бурение осуществляется в нестабильных геологических условиях, когда наблюдается поглощение промывочной жидкости, т.е.
Тогда
Аналогично предыдущему
или
Отсюда находим
или
3
вых3
1
вых1
Так как Fk=U и Fk=U.
3
2
вых3
вых1
вых
вх
Поскольку F<F и U<U, то Q<Q, что и требовалось доказать.
Таким образом, в общем виде можно записать:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
,
вых1
где U - базовое значение на выходе измерительной схемы, относительно которого осуществляется определение расхода промывочной жидкости;
выхi
U - текущие значение (изменяемые во времени).
Представим полученное выражение в виде:
и рассмотрим три случая:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
вых
вх
1.
или Q<Q, т.е. наблюдается поглощение промывочной жидкости;
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
вых
вх
2.
или Q=Q, т.е. стабильные геологические условия;
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>1</mn></mrow>
вых
вх
3.
или Q>Q, т.е наблюдается приток из пласта в промывочную жидкость.
Если рассматривать отношение как дифференциальное относительно 1 (а не 0), то можно утверждать, что в таком случае непосредственно при определении расхода промывочной жидкости на выходе скважины автоматически решается первая часть фильтрационного каротажа - дебитометрическая.
На фигуре приведена схема устройства определения расхода промывочной жидкости на выходе бурящейся скважины, на которой позициями обозначены:
1-неподвижная часть желоба; 2 - подвижная часть желоба; 3 - вибросито; 4 - емкость для сбора отфильтрованной промывочной жидкости; 5 - датчик силы; 6 - кронштейн для установки датчика силы; 7 - шарнир, обеспечивающий движение свободного торца подвижной части желоба в вертикальной плоскости; 8 - направляющие кронштейны, ограничивающие перемещение подвижной части желоба в горизонтальной плоскости; 9 -электронный блок.
Поток промывочной жидкости, выходящей из подвешенной части желоба 2, создает под действием своей тяжести усилие F, которое передается на датчик силы 5, который в свою очередь преобразует это усилие в электрический сигнал. Сформированный датчиком 5 сигнал поступает на электронный блок 9, где подвергается обработке по приведенным выше алгоритмам, и затем результаты предварительной обработки передаются на более высокий уровень (станции ГТИ).
Установка под днищем подвижной части желоба датчика силы - не единственное конструктивное решение реализации данного способа измерения расхода промывочной жидкости. Вариантом конструктивного решения может быть применение потенциометрического, индуктивного и т.д. датчика перемещения подпружиненной подвижной части желоба.