СПОСОБ И СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ТВЕРДОСТИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ ЗАБОЯ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ
METHOD AND SYSTEM OF AUTOMATED DETERMINATION AND RECORDING OF HARDNESS OF MINE ROCK OF WORKING FACE DURING WELL DRILLING

Изобретение относится к способам определения прочности и твердости горных пород путем приложения к ним механических усилий и может быть использовано в горном деле, бурении.
Известен способ определения упругих характеристик горной породы по данным измерений в скважине (пат. РФ №2449122, МПК E21B 49/00, оп. 27.04.2012. Бюл. №12), техническим результатом которого является определение упругих характеристик горной породы по данным замера в скважине радиального смещения стенок наклонной или горизонтальной скважины после вскрытия скважиной заданного интервала пласта. В заданном интервале определяют радиальные смещения боковой и верхней стенок наклонной скважины по результатам измерения радиусов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Далее по результатам измерения рассчитывают среднее квадративное отклонение и доверительные интервалы смещения стенок скважины. Затем составляют две системы уравнений для боковой и верхней стенок, скважины связывающие соответствующие смещения стенок скважины с упругими характеристиками горной породы, с геостатическим давлением и с гидростатическим давлением бурового раствора и углом искривления скважины. Системы решают методом последовательного приближения относительно модуля деформации и фактического коэффициента бокового распора горных пород.
Недостатком способа является невозможность определения твердости горной породы непосредственно в процессе бурения, поскольку бурение и измерения, на основе которых осуществляется определение упругих свойств горной породы в прототипе, разнесены во времени.
Известны способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации (пат. РФ №2204121, МПК G01N 3/40, оп. 27.12.2001 г.), включающий воздействие на горную породу и разрушение ее вращающимся под нагрузкой индентором, в процессе разрушения одновременно измеряют мощность акустических колебаний в призабойной зоне и скорость относительного перемещения индентора и горной породы и определяют показатель прочности горной породы. Недостатком как способа, так и устройства его реализующего является то, что они относятся к лабораторным средствам и применять их в процессе бурения невозможно. Кроме того, к недостатку способа и устройства следует отнести и то, что с их помощью определяется только показатель прочности, а не ее значение.
Наиболее близким способом является способ определения прочности горной породы, включающий различные виды механического воздействия на горную породу, разрушение горной породы, определение показателей прочности с использованием величины прикладываемой нагрузки, площади контактной поверхности индентора или площади лунки разрушения в горной породе (Любимов Н.И., Носенко Л.И. Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов. М.: Недра, 1978 г.).
Недостатком известного способа определения прочности горной породы является отличие формы применяемых инденторов и скорости приложения нагрузки на горную породу от формы породоразрушающего инструмента и скорости приложения усилий при воздействии инструмента на горную породу. Это обуславливает резкое отличие механизма разрушения горных пород при испытаниях от реализуемого в производственных условиях. Как следствие, прочность горной породы, определенная по данным способам, не отражает реальной прочности горной породы.
Известна система: буровая - совокупность датчиков (первичных измерительных преобразователей (ПИП) технологических параметров бурения - станция геолого-технологических исследований (ГТИ), осуществляющая сбор, обработку, регистрацию и хранение информации. При этом в функции станции ГТИ входит выдача рекомендаций по совершенствованию бурового процесса на основании полученных данных (Э.Е. Лукьянов. Геолого-технологические и геофизические исследования в процессе бурения. - Новосибирск: Издательство Дом «Историческое наследие Сибири», 2009, 752 с.).
Недостатком системы является то, что в ней отсутствует модуль (блок), с помощью которого можно осуществить измерения в дифференциальной форме: нагрузку на долото G, механической скорости бурения или времени продолжительности бурения определенного интервала глубины T.
Задача изобретения - определение и регистрация твердости горной породы забоя и на основании полученной геологической информации оптимизировать дальнейший процесс бурения скважины.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающем воздействие на горную породу и ее разрушение вращающимся и находящимся под нагрузкой индентором, определение показателей твердости с использованием величины прикладываемой нагрузки и площади контактной поверхности индентора, согласно предлагаемому изобретению измерения осуществляют непосредственно в процессе бурения в дифференциальной форме: механическую скорость бурения ϑ или время продолжительности бурения определенного интервала глубины T, изменением нагрузки на долото, выравнивают значения скоростей или времен, измеряют в момент равенства скоростей или времен значение нагрузки на долото и определяют твердость горной породы забоя по алгоритму
,
где  - твердость горной породы неизвестная (определяемая), соответствующая последующей точке измерения по глубине скважины или времени;
- твердость горной породы известная (уставка), соответствующая предыдущей точке измерения по глубине скважины или времени или выбранная, например, по результатам эксперимента;
i
G - нагрузка на долото, соответствующая твердости горной породы и измеренная на последующей точке измерения;
i-1
G - нагрузка на долото, соответствующая твердости горной породы измеренная на предыдущей точке измерения, т.е. соответствующая уставке.
Кроме того, для контроля твердости горной породы, нарушаемого по причине изменяющихся забойных условий, равенства алгоритма, в него вводится индикаторный член в  или  а сам алгоритм примет вид
или
i
где ϑ - механическая скорость бурения в последующей точке измерения по глубине;
i-1
ϑ - механическая скорость бурения в предыдущей точке измерения по глубине;
i
T - время продолжительности последующего интервала бурения;
i-1
T - время продолжительности предыдущего интервала бурения.
Кроме того, восстановление нарушаемого равенства алгоритма осуществляют путем изменения нагрузки на долото - числителя алгоритма до момента равенства единице отношения скоростей или времен, т.е. индикаторного члена алгоритма, причем в момент равенства отношения единице измеряют значение нагрузки на долото - числителя алгоритма.
Система автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающая датчики нагрузки на долото, перемещения талевого блока, лебедку и станцию ГТИ с программным обеспечением, осуществляющая сбор, обработку и регистрацию информации, отличается тем, что в систему вводят модуль-диспетчер, осуществляющий консолидацию в точках измерения через шаг дискретизации по глубине или времени, указанных устройств на решение задачи по определению и регистрации твердости горной породы забоя, причем в остальное время эти устройства работают в штатном режиме.
ш.з.
Алгоритм взаимосвязи расхода промывочной жидкости Q, твердости горной породы забоя P, технологических параметров, разрушающих эту породу, - нагрузку на долото G и число его оборотов n, имеет вид
где ;
Iз
V - объем разрушенной породы за единичный акт взаимодействия зубка долота с горной породой забоя;
0
Sk - площадь поверхности зубка долота, контактирующего с породой забоя;
п
γ - удельный вес разрушаемой породы;
з.п.
γ - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве;
ж
γ - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину.
Будем считать, что A, G, n постоянны по крайней мере на протяжении одного рейса. Тогда (1) можно записать для соседних точек измерения:
Возьмем отношение формул (2а) и (2б) и получим
i
где  -  твердость горной породы на глубине H, т.е. на последующей точке измерения;
i-1
- твердость горной породы на глубине H, т.е на предыдущей точке измерения.
i
i-1
При этом ΔH=H-H - шаг дискретизации по глубине, изменяющийся от 0,1 до 1 м и который задается, например, программно в зависимости от скважинных условий.
Из (3) имеем
Полученные выражения (3), (4) только подтверждают вывод, что нагрузка на долото зависит только от твердости разрушаемой горной породы забоя (А.А. Погарский. Автоматизация процесса бурения глубоких скважин. - М:. Недра, 1972, 216 с.). Поскольку твердость горной породы по мере углубления забоя постоянно изменяется, то выражение (4) лучше представить в виде неравенства, т.е.
Полученное выражение (5) удобно для применения в лабораторных условиях. Применение же его в процессе бурения, когда изменяющаяся, но подлежащая определению твердость горной породы забоя находится на большом расстоянии от устья (месте определения и регистрации), практически невозможно, т.к. в неравенстве нет члена фиксирующего момент равенства левой и правой частей формулы (5).
Механическая скорость бурения ϑ или время продолжительности бурения определенного интервала глубины T весьма чувствительны к изменениям условий на забое, особенно к изменениям твердости горной породы, причем их реакция практически мгновенна. Поэтому введем в формулу (5) индикатор равенства в виде отношения скоростей (времени) (отношение - это ничто иное как дифференциальность относительно единицы), т.е.  или  получим
,
i
i-1
i
i-1
где ϑ и ϑ - соответственно механическая скорость бурения на глубине H и H;
i
i-1
i
i-1
T и T - соответственно время бурения интервалов проходки на глубине H и H.
i
i-1
i
i-1
i
i
i
i
i-1
i
i-1
i-1
i
i
i
i-1
i
i-1
i-1
Действительно, при увеличении (уменьшении) твердости горной породы, при прочих равных условиях, скорость проходки ϑ (числитель) будет уменьшаться (увеличиваться) относительно фиксированного (предыдущего) значения скорости в знаменателе ϑ (соответственно увеличиваться (уменьшаться) время T относительно T). Изменением нагрузки на долото G в числителе в сторону увеличения (уменьшения) скорости ϑ и уменьшения (увеличения) времени Tдобиваемся условия ϑ=ϑ, T=T или , . Это равенство скоростей есть момент превращения неравенств (6а и 6б) в равенства, т.е. когда создается условие вычисления неизвестной величины твердости горной породы  по выражениям (4) или (6а) и (6б), преобразуемым в равенства. Последовательность процедур по определению твердости горной породы по полученным алгоритмам (6а) и (6б) подобна взвешиванию некоего продукта на стрелочных весах. В нашем случае роль стрелки играет отношение  или , колеблющееся относительно единицы. Неизвестная и подлежащая определению твердость горной породы  находится на одной условной чаше весов (забой), на другой условной чаше (устье) находится известная величина твердости (мера или уставка)  и соответствующее ей известное усилие G (знаменатель выражений), а также измеряемая величина разновесного усилия G (числитель). Изменением разновесного усилия G добиваемся равенства ϑ=ϑ или T=T, т.е. когда , . Момент равенства этих отношений единице соответствует превращению неравенств (6а) или (6б) в равенства, по которым теперь можно вычислять неизвестную твердость горной породы забоя. На этом процесс взвешивания заканчивается. Значение меры (уставка)  и соответствующее этой мере значение усилия G выбирается из различных соображений. Во-первых, величину меры и соответствующее усилие можно получить экспериментально по методу Шрейнера и использовать ее для определения твердости породы забоя и непрерывной регистрации на всем протяжении как по глубине скважины, так и по времени, т.е. в виде градиентной кривой. Во-вторых, в качестве меры может использоваться каждое последующее определенное значение твердости породы и соответствующее ей усилие. Тогда каждое последующее вычисленное значение твердости породы и измеренное усилие (нагрузка на долото) становится предыдущей мерой (уставкой) для очередного процесса измерения и вычисления. Такая последовательность обновления меры (уставки) эквивалентна дифференциальному методу измерений. В этом случае должны четко выделяться границы раздела между слоями пород с незначительным отличием твердостей, а также реагировать на приближающуюся зону АВПД. Таким образом, регистрацию твердости горной породы можно осуществлять в двух форматах:
- непрерывном - относительно выбранной (заданной) меры;
- дифференциальном, когда каждое последущее вычисленное значение твердости становится предыдущей мерой для очередного процесса измерения и вычисления.
Описанное выше по сути раскрывает последовательность процедур и необходимые средства по реализации этих процедур при определении твердости горной породы забоя. На фиг.1 приведена система вычисления и регистрации твердости горной породы, на которой:
1 - датчик нагрузки на долото;
2 - датчик перемещения талевого блока, позволяющий определять текущую глубину скважины, мгновенную скорость и механическую скорость за шаг дискретизации по глубине;
3 - лебедка;
4 - модуль-диспетчер;
5 - программное обеспечение сбора информации;
6 - ручной ввод информации;
7 - программное обеспечение обработки информации;
8 - программа визуализации и регистрации информации;
9 - хронометр, осуществляющий измерение календарного времени и дискретизацию информации по времени, причем шаги дискретизации по глубине и времени должны синхронизироваться;
10 - регистратор (принтер);
11 - станция геолого-технологических исследований (ГТИ).
i-1
i-1
i-1
i
i
i
i
i
i-1
Вновь вводимый модуль 4 по существу выполняет диспетчерские функции по консолидации устройств и средств в необходимое время на реализацию предлагаемого алгоритма определения и регистрации твердости горной породы забоя и существующих в современных системах контроля и управления процессами бурения (Э.Е. Лукьянов. Геолого-технологические и геофизические исследования в процессе бурения. - Новосибирск: Издательство Дом «Историческое наследие Сибири», 2009, 752 с.). Приведенная на фиг.1 система работает следующим образом. С помощью ручного ввода информации 6 на необходимой глубине или в необходимое время в программу 5 вводится величина твердости горной породы, например определенной предварительно, т.е. мера (уставка)  и соответствующая ей величина нагрузки на долото G, а также с датчика 2 значение текущей механической скорости ϑ или время T с хронометра 9. При этом процесс бурения осуществляется в штатном режиме. При приближении к точке измерения, определяемой шагом дискретизации по глубине или времени, задаваемым программой 5, эта же программа в этот момент фиксирует значения нагрузки G с датчика 1, механической скорости ϑ с датчика 2 или время T с хронометра 9. Полученные данные программа 5 передает в модуль 4, где определяется отношение  или . Если эти отношения не равны единице, то модуль 4 вырабатывает сигнал на запуск в работу лебедки 3, которая начнет работать в сторону выравнивания скоростей или времени, устремляя отношения к единице. Как только это отношение будет равно единице, модуль 4 снимет сигнал, заставляющий работать лебедку. Одновременно сигнал поступит с модуля 4 в программу 5, по которому она примет значения нагрузки G с датчика. Теперь все необходимые данные для вычисления твердости горной породы, т.е. , G, G, поступят с программы 5 в программу 7, которая вычислит значение твердости по алгоритму
.
Далее полученное значение твердости из программы 7 поступает в программу 8, под управлением которой принтер 10 регистрирует полученный результат.
Последующие шаги измерения, вычисления и регистрации будут повторяться на протяжении необходимой глубины скважины или необходимого времени.
Необходимо отметить, что полученные на первом шаге дискретизации по глубине или времени значения твердости горной породы забоя и соответствующая ей нагрузка на долото необходимо использовать как меру (уставку) для последующих шагов измерения и вычисления твердости горной породы забоя. Первый шаг дискретизации по сути является адаптивным, поскольку полученные на этом шаге результаты твердости горной породы соответствуют забойным условиям конкретной скважины. Кроме того, поскольку определение твердости горной породы осуществляют в реальных скважинных условиях, в которых свойства пород определяются не только твердостью, но и ее фильтрационными (пористостью, проницаемостью) свойствами, то полученный результат больше соответствует буримости горной породы, а сам процесс определения этих свойств - научному эксперименту. Более того, полученный результат твердости горной породы используется для перехода процесса бурения в адаптивный режим, т.е. результат используется как элемент обратной связи в промежутках между процессами измерения и определения твердости горной породы.