СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD OF DETERMINING WORKING CAPACITY OF ROCK CUTTING TOOL

Изобретение относится к области контроля и измерения параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин и преимущественно может быть использовано при диагностировании работоспособности породоразрушающего инструмента с целью его эффективной отработки, а также при разработке автоматизированных систем управления процессом бурения.
Известен способ определения степени износа породоразрушающего инструмента, заключающийся в измерении пульсации давления промывочной жидкости с его последующим преобразованием в спектр колебаний давления, причем за критерий износа породоразрушающего инструмента принимается ширина полосы нормированной спектральной плотности, а предельный износ характеризуется полным отсутствием преобладающей частоты (а.с. 1427059, СССР, Е21В 45/00, БИ 36, 1988).
Наряду с неоспоримыми достоинствами спектральный анализ обладает и определенными недостатками. Во-первых, исходный сигнал заменяется периодическим. При Фурье-преобразовании изменяющихся во времени параметров процесса для всего исследуемого сигнала получаются усредненные коэффициенты. Поэтому методы, основанные на спектральном анализе, не позволяют в настоящий момент производить всесторонний анализ вибросигнала, что приводит к общим характерным погрешностям при проведении вибродиагностических исследований.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента путем регистрации колебаний давления промывочной жидкости в нагнетательной линии и вычисления величины критерия его работоспособности (а.с. 1800011, СССР, Е21В 45/00, БИ 9, 1993).
В данном решении вычисляют корреляционную размерность в начале и в процессе бурения, определяют критерий работоспособности и его эталонное значение для каждой режимной пачки бурения, а границу времени работоспособности отождествляют со временем достижения критерием его эталонной величины.
Недостатками этого метода являются довольно сложная процедура определения критерия работоспособности и соответственно низкая точность оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации.
Техническая задача изобретения - повышение точности оценки технического состояния породоразрушающего инструмента в процессе эксплуатации.
Q
P
XP
Р2
P1
XQ
Q2
Q1
P1
Q1
Р2
Q2
P
Q
Поставленная задача решается тем, что в способе определения работоспособности породоразрушающего инструмента, включающем измерение колебаний давления промывочной жидкости на долото, выбор текущих критериев работоспособности, задание их эталонных значений, согласно предлагаемому решению дополнительно замеряют колебания осевой нагрузки на долото датчиком, установленным на неподвижном конце талевого каната или на гидравлическом индикаторе веса и определяют показатель Херста H колебаний осевой нагрузки в начале и в процессе долбления скважины, другим датчиком установленным на манифольдной линии замеряют колебания давления промывочной жидкости и определяют показатель Херста H колебаний давления промывочной жидкости и, в качестве текущих критериев диагностирования принимают величины K=Н/H и K=H/H соответствующих сигналов, где H и H - показатели Херста соответственно колебаний давления промывочной жидкости и колебаний осевой нагрузки в начале долбления; Н и H - показатели Херста соответственно колебаний давления промывочной жидкости и осевой нагрузки в процессе долбления, а эталонные значения критериев определяют в процессе бурения первой скважины на кусте для максимально изношенного инструмента. Кроме того, сигналы датчиков каждый по своему каналу связи, поступают на блок нормирования, который обеспечивает согласование диапазона выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов аналого-цифрового преобразователя, далее блок обработки и управления формирует управляющие сигналы и вычисляет показатель Херста колебаний давления промывочной жидкости H и показатель Херста колебаний осевой нагрузки на долото H в любой момент бурения, данные поступающие на блок индикации предназначены для визуального контроля за изменением текущих величин критериев работоспособности долота, контролируемые пультом управления, служащим для ввода оператором необходимых параметров, при изменениях происходящих в процессе бурения скважины, и позволяющего при переходе на другую режимную пачку буримости скорректировать текущую величину критерия работоспособности породоразрушающего инструмента.
Техническим результатом является своевременное диагностирование степени износа породоразрушающего инструмента, путем обработки временных реализаций давления промывочной жидкости и осевой нагрузки с использованием показателя Херста Н. Способ дает возможность непосредственного контроля технического состояния долота по мере его износа в процессе бурения, предотвратить аварии с долотами и его своевременной замены, а также рационального использования времени бурения.
На фиг. 1 показана схема для осуществления определения предлагаемого способа работоспособности породоразрушающего инструмента при бурении скважин; на фиг. 2 представлено графическое объяснение определения показателя Херста.
Устройство содержит датчики 1 и 2, блок нормирования 3, аналогово-цифровой преобразователь 4, блок обработки и управления 5, блок индикации 6, пульт управления 7.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На устье скважины устанавливаются два датчика давления - два приемника сигналов. Датчик 1 устанавливается на неподвижном конце талевого каната или гидравлическом индикаторе веса для измерения колебаний осевой нагрузки на долото, а датчик 2 - на манифольдной линии для измерения колебаний давления промывочной жидкости.
P
Q
Далее сигналы, каждый по своему каналу связи, поступают на блок нормирования 3, который обеспечивает согласование диапазона выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов аналого-цифрового преобразователя 4. Блок обработки и управления 5 формирует управляющие сигналы и вычисляет показатель Херста колебаний давления промывочной жидкости H и показатель Херста колебаний осевой нагрузки на долото H в любой момент бурения. Блок индикации 6 предназначен для визуального контроля за изменением текущих величин критериев работоспособности долота. Пульт управления 7 служит для ввода оператором необходимых параметров, изменениями которых сопровождается процесс бурения скважины, а именно изменения типа породы, долота, забойного двигателя, режима бурения, что позволит, например, при переходе на другую режимную пачку буримости скорректировать текущую величину критерия работоспособности породоразрушающего инструмента.
Показатель Херста имеет широкое применение при анализе и классификации достаточно длинных временных рядов в разных областях. Он может отличить случайный ряд от неслучайного. Если ряд случайный, размах будет увеличиваться пропорционально корню квадратному из времени. Для калибровки временных измерений Херст ввел безразмерное отношение: деления размаха на стандартное отклонение наблюдений. Данный способ анализа называется методом нормированного размаха (анализ).
n
Если X={X} - это заданный набор значений анализируемого динамического ряда, тогда накопленное отклонение от среднего для некоторого интервала определяют как:
где  - среднее выборочное по ряду в целом;
i
X - значения колебаний давления промывочной жидкости или осевой нагрузки на долото.
Соответственно, размах R(t):
R(t)=max[Δ(t)]-min[Δ(t)],
где Δ(t) - накопленное отклонение от среднего для некоторого интервала времени t, то есть разность между максимальным и минимальным отклонениями от среднего, эта характеристика отличается от разности между максимальным и минимальным значениями временной последовательности.
Для описания и сравнения различных временных рядов, более удобна нормированная безразмерная характеристика - нормированный размах.
Нормированный размах на интервале определяют следующим образом:
где S(t) - стандартное отклонение;
n - величина промежутка времени
Согласно формуле Херста:
где Н - показатель Херста;
N - число наблюдений (количество точек в отрезке временного ряда);
α - константа (принимается равной 0,5).
Показатель Н может изменяться в диапазоне от 0 до 1 и называется показателем Херста.
Имеются три различных классификации для показателя Херста:
1) Н=0,5 - указывает на случайный ряд, события случайны и не коррелированны.
2) 0≤Н<0,5 - данный диапазон соответствует гармоническому сигналу.
3) 0,5<Н≤1 - соответствует возрастающему или убывающему ряду.
Конкретный пример расчета показателя Херста
1
1
Рассмотрены колебания давления промывочной жидкости на долото в конце долбления для скважины №20232, интервал бурения 854-1003 м, износ долота после подъема - ВП. Пример к расчету показателя Херста приведен в таблице 1.
В таблице приняты следующие обозначения:
N - количество значений колебаний давления промывочной жидкости;
i
X - фрагмент записи колебаний давления промывочной жидкости с интервалом дискретности Δt=30 с;
iy
X - фрагмент записи колебаний давления промывочной жидкости в возрастающем порядке;
ср
Х - среднее выборочное по ряду;
R - размах ряда;
S - стандартное отклонение;
Н - показатель Херста.
R(t)=max[Δ(t)]-min[Δ(t)]=0,537-(-0,363)=0,9;
В таблице 2 и 3 приведены результаты вычисления показателей Херста и критериев диагностирования долота при бурении скважины №20232 Альметьевского УБР и скважины №14627 Нижневартовского УБР-2.
1
1
Показатель Херста характеризует угол наклона графика линейной зависимости  от ln(t). На фиг. 2 показано графическое объяснение определения показателя Херста для скважины №20232, интервал бурения 854-1003 м, износ долота - ВП. Таким образом, параметр Н можно оценить, изобразив график указанной зависимости, и, используя полученные точки, подобрать по методу наименьших квадратов прямую линию с наклоном Н.
XP
XQ
XP
XQ
Таким образом, если скважину №20232 или №14627 считать первой пробуренной на кусте или же для скважин с подобными геолого-техническими условиями бурения, то критериями диагностирования долот по показателю Херста будут: K=1,00; K=0,95. При бурении последующих скважин, контролируя критерий диагностирования долота по показателю Херста K и K можно предотвратить наступление предаварийного состояния долота.
Предлагаемый способ может найти применение при разработке автоматизированных систем процесса бурения, а также в других областях, где ведется оценка технического состояния объектов путем измерения колебаний параметров достаточно длинных временных рядов, представленных в виде стационарного случайного процесса.