УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области исследования скважин и предназначена для определения вещественного (минерального) состава горной породы в процессе бурения скважины.
Известно устройство для определения минерального состава пород в процессе бурения скважины, содержащее оптический блок и измерительно-преобразовательный блок, при этом оптический блок содержит источник инфракрасного излучения, модулятор и два оптических канала: измерительный и канал сравнения, первый из которых включает в себя кювету с пробой анализируемой горной породы, а второй канал включает кювету сравнения, "n" эталонных проб смесей горных пород с различными значениями концентраций минералов в исследуемых горных породах. В оптический блок также входят: зеркальная система фокусировки, набор оптических фильтров, блок адаптации эталонных проб смесей горной породы с подключенным к его выходу приводом установки проб смесей, блок адаптации оптической фильтрации горной породы с подключенным к его выходу приводом установки светофильтров. Измерительно-преобразовательный блок содержит блок управления на базе микропроцессорного контроллера; приемник инфракрасного излучения; блок усиления с предусилителем и усилителем с автоматической регулировкой усиления; блок синхронизации сигналов; блок определения оптической плотности; аналого-цифровой преобразователь; блок индикации; блоки адаптации эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации горной породы. (RU 2249687, Е21В 47|10, 2001).
Однако указанное устройство обладает низкой достоверностью определения минерального состава разбуренной породы при наличии обвалов пород, поскольку обвальная, обычно глинистая, порода искажает данные по минеральному составу изучаемой на поверхности разбуренной породы. Обвалы глинистых пород, как правило, наблюдаются на глубинах выше забоя на несколько метров, однако еще выше обвальные глинистые породы затвердевают или выносятся промывочной жидкостью на поверхность и их влияние на минеральный состав выбуренной породы незначительно.
Такая обвальная порода определяет в минеральном составе вымываемой при бурении породы избыточное содержание глины (каолинита), что искажает истинное значение смеси веществ на глубине забоя.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважины, содержащее оптический блок, включающий источник инфракрасного излучения, подключенный к измерительному каналу и каналу сравнения с приводом установки эталонных проб смесей, выходы которых подсоединены к входам системы фокусировки зеркал, оптически связанной с набором светофильтров с приводом установки оптических фильтров, и измерительно- преобразовательный блок, включающий приемник инфракрасного излучения с усилительным блоком, подключенный к входам блоков синхронизации сигналов измерительного канала и канала сравнения, выходы которых связаны с блоком определения оптической плотности, подключенным через аналого-цифровой преобразователь к первому информационному входу микропроцессора, информационный выход которого подключен к блоку индикации, а управляющий - к входам блоков адаптации эталонных проб смесей и оптической фильтрации горной породы, выходы которых подсоединены к приводам установки эталонных проб смесей и установки оптических фильтров оптического блока, кроме того к выходу блока оптической плотности подключен вход блока определения процентного соотношения минералов шлама, а выход подсоединен к второму информационному входу микропроцессора и входу блока сравнения процентного содержания глины с пороговым значением, выход которого подключен к блоку-переключателю режимов считывания информации, подсоединенного к третьему информационному входу микропроцессора (RU 75691, Е21В 47|10, 2008).
В указанном устройстве при установлении обвала глины по пороговому ее значению в шламе продолжается проходка на некоторую глубину без определения минерального состава шлама. После установления обычного содержания глины (менее порогового значения) делается переход к обычному режиму определения состава породы, что возможно, так как в процессе проходки обвальная глина затвердевает и/или выносится на поверхность со шламом. При этом выбор режима бурения практически полностью определяется буровым мастером, технологом или инженером. Однако, когда обвалы глины неоднократны, перекрываются по глубине проходки и достаточно протяженны по времени и глубине и при этом нет однозначного определения типа породы, то в процессе такого прохождения скважины возможно появление породы другого типа. В частности, наиболее близки по составу породы типа сульфат-глина и кварц-глина. Поэтому в случае, если разбуривается порода типа кварц-глина, то появление породы сульфат-глина в процессе проходки при обвале глины достаточной протяженности не распознается известным устройством.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение достоверности определения типа породы при неоднократных, перекрывающихся по глубине обвалах глинистой породы, и, соответственно, обеспечение оптимизации режима бурения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для определения состава горной породы в процессе бурения скважины, содержащем оптический блок, включающий источник инфракрасного излучения, подключенный к измерительному каналу и каналу сравнения с приводом установки эталонных проб смесей, выходы которых подсоединены к входам системы фокусировки зеркал, оптически связанной с набором светофильтров и с приводом установки оптических фильтров, и измерительно-преобразовательный блок, включающий приемник инфракрасного излучения с усилительным блоком, подключенный к входам блоков синхронизации сигналов измерительного канала и канала сравнения, выходы которых связаны с блоком определения оптической плотности, подключенным через аналого-цифровой преобразователь к первому информационному входу микропроцессора, информационный выход которого подключен к блоку индикации, а управляющий - к входам блоков адаптации эталонных проб смесей и оптической фильтрации горной породы, выходы которых подсоединены к приводам установки эталонных проб смесей и установки оптических фильтров оптического блока, кроме того к выходу блока оптической плотности подключен вход блока определения процентного соотношения минералов шлама, а выход подсоединен к второму информационному входу микропроцессора и входу блока сравнения процентного содержания глины с пороговым значением, выход которого подключен к блоку-переключателю режимов считывания информации, подсоединенного к третьему информационному входу микропроцессора, согласно полезной модели, дополнительно введен блок сравнения содержания пород сульфат-глина и кварц-глина в шламе с эталонными значениями пород, соединенному по входу с выходами блока определения процентного соотношения минералов шлама и блока-переключателя режимов считывания информации, а выход с четвертым информационным входом микропроцессора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, представляющего собой информационно-измерительную систему инфракрасного спектрального оперативного анализа (далее ИК-анализа) содержания вещественного (минерального) состава бурового шлама на устье скважины, на фиг.2 представлены блок-схемы трех алгоритмов:
- алгоритма работы микропроцессорного контроллера,
- алгоритма определения процентного соотношения минералов шлама, учета времени и глубины скважины на забое,
- алгоритма отслеживания процентного содержания глины при соответствующем отсчете времени и глубины скважины на забое, фиг.3 иллюстрирует принцип определения типа породы при обвале глины.
Предлагаемое устройство содержит оптический I и измерительно-преобразовательный II блоки.
Оптический блок I содержит источник инфракрасного излучения 1, - измерительный канал 2 с оптической схемой и кюветой пробы анализируемой горной породы (на фиг. не показаны), канал сравнения 3 с кюветой сравнения, "n" эталонных проб смесей горных пород с разными значениями концентраций минералов (на фиг не показаны), - систему фокусировки зеркал 4, набор оптических фильтров 5, - приводы 6 и 7, соответственно, установки эталонных проб смесей и установки оптических фильтров.
Измерительно-преобразовательный блок II содержит приемник инфракрасного излучения 8, усилительный блок в виде предусилителя 9 и усилителя 10 с автоматической регулировкой усиления, блоки синхронизации сигналов 11 и 12 с блока 2 от пробы анализируемой горной породы и с блока 3 от эталонных проб смесей горных пород, блок определения оптической плотности 13, аналого-цифровой преобразователь 14, микропроцессор 15, блок индикации 16, блоки адаптации 17 и 18, соответственно, эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации горной породы, блок определения процентного соотношения минералов шлама 19, блок сравнения процентного содержания глины с пороговым значением 20, переключатель режимов считывания информации 21, блок сравнения содержания породы сульфат-глина и кварц-глина в шламе с эталонными значениями этих пород 22.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
i
i
i
i
В результате экспериментальных исследований получены данные, позволяющие определить породу исследуемого ИК анализа в случае обвала глины. На Фиг.3 представлены результаты сравнения экспериментальных данных текущих показаний ИК анализатора при проходке в случае обвала глины для шести градаций процентного соотношения пород сульфат-глина и кварц-глина с заранее определенными согласно [2, 3, 4] эталонными значениями этих пород. Здесь {G},i=1,…,6, обозначает множество средних геометрических градаций (их шесть в породе по числу градаций без учета градаций 0-100 при обвале глины; в каждой градации G получено по соответствующим пяти ИК анализам), а {A} - множество средних арифметических от {G}. Видно, что области корреляций ИК анализов двух пород разнесены по большинству градаций для однозначного определения текущей по глубине породы при обвале глины. Более того, верхний ряд значений корреляции ИК анализов породы сульфат-глина позволяет идентифицировать и градацию конкретного ИК анализа по глубине и времени проходки скважины (зоны градаций показаны на фиг.3 пунктирными вертикальными линиями). Отметим также, что пятая и шестая градации - это соотношения 25-75 и 10-90, причем 75 и 90 как проценты глины имеют довольно неопределенное значение при ее обвале. По этой причине идентификация ИК анализов для этих двух градаций не рассматривается в данной заявке. Другими словами, предлагаемая модель дает возможность идентифицировать в процессе обвала глины появление другой породы - сульфат-глина, а не кварц-глина, причем однозначно при градациях 100-0, 90-10, 75-25, 50-50, а не 25-75 и 10-90. На фиг.3 сказанное означает, что значения процентного соотношения сульфата и глины текущих при бурении ИК анализов лежат выше средней линии между корреляциями пород со второй главной компонентой ГК2. Вторая главная компонента ГК2 получена методом главных компонент (МГК) по матрице средних арифметических от средних геометрических градаций породы кварц-глина. МГК - один из распространенных методов факторного анализа.
Таким образом, порода определяется по расстоянию, т.е. близости точки на вертикальном отрезке, соединяющем кривые корреляций пород. Кривые представлены ломаными линиями в виде отрезков прямых, соединяющих точки экспериментальных данных на фиг.3. Исследуемый ИК анализ, фиксируемый по глубине и времени, и определяет породу при обвале глины и выдает на индикацию данные этого решения для ЛПР. В микропроцессоре отмеченная процедура воплощена в одной из подпрограмм алгоритма фиг.2. Указанные факторы и установленные зависимости положены в основу формирования структуры предлагаемого устройства для обеспечения корректировки конечной информации по данным об обвалах горной породы.
Устройство работает следующим образом.
В оптическом блоке I электрический сигнал после приемника 8 ИК-излучения поступает через предусилитель 9 и усилитель 10 на блоки синхронизации (синхронные детекторы) 11 и 12, на выходе которых формируются сигналы, пропорциональные интенсивности прошедшего и падающего на исследуемую пробу в измерительном канале 2 излучения, которые преобразуются в блоке 13 в значения оптических плотностей. Частотные разделения измерительного канала 2 и канала сравнения 3 повышают помехоустойчивость устройства. После преобразования аналогового сигнала в преобразователе 14 в цифровой код информация поступает в микропроцессор 15 и далее в блок индикации 16.
Одновременно информация из блока 13 поступает в блок определения процентного соотношения минералов шлама 19, в котором производится операция вычитания фона от ИК анализатора из значений каждого из четырех минералов и приведения суммы их величин к 100% (т.е. делением каждой из оптических плотностей на их сумму и умножением на 100). Выход блока 19 подключен через микропроцессор 15 к блоку индикации 16, к блоку сравнения содержания пород сульфат-глина и кварц-глина в шламе с эталонными значениями 22 и к блоку сравнения процентного содержания глины с пороговым значением 20, выход которого подключен к входу переключателя режимов считывания информации 21, подключенного к микропроцессору 15 и к блоку сравнения содержания пород сульфат-глина и кварц-глина в шламе с эталонными значениями 22, выход которого также подключен к микропроцессору 15.
Устройство работает в двух режимах: либо продолжается традиционный режим работы считывания информации по каналу от блока 14, либо этот режим работы устройства блокируется. При блокировке работают при заданном интервале времени проверки блоки 19 и 20 в режиме отслеживания процентного содержания глины сравнением с пороговым значением. Кроме того, при обвале глины через блок 20 и переключатель 21 включается блок 22 для определения возможности появления породы сульфат-глина при проходке в условии обвала глины.
Если содержание глины становится не больше уставки, то автоматически переключателем 21 включается обычный режим. В противном случае, продолжается режим фиксации, запоминания процентного количества глины в шламе во времени проходки и на блок индикации 16 выносятся результаты с учетом критического значения содержания глины, а также появление породы сульфат-глина. По анализу этих данных оператор принимает решение о дальнейшем режиме проходки скважины. В частности, анализ данных может указывать и на проходку в глинистых породах, если содержание глины не меньше уставки и не падает по отсчетам глубины в процессе бурения.
Таким образом, блоки 19-22 обеспечивают формирование информации для учета обвалов горной породы и типа породы сульфат-глина посредством адаптации измеряемых данных к концентрациям минералов, имеющим место при обвале горных пород.
Устройство работает согласно описанным ниже на фиг.2 трем алгоритмам:
алгоритму работы микропроцессорного контроллера - блоки 1÷10,
алгоритму определения процентного соотношения минералов шлама, учета времени, глубины скважины - блоки 11÷15,
алгоритму задания времени учета обвала глины, положения отсчета по глубине скважины, отслеживания процентного содержания глины при соответствующем отсчете и типа породы сульфат-глина - блоки 16÷19.
Так, алгоритм работы микропроцессорного контроллера включает следующую последовательность действий:
1 - пуск;
2 - подпрограмма определения процентного соотношения минералов шлама, учета времени, глубины скважины;
3 - вывод на индикацию (регистрацию);
4 - подпрограмма сравнения процентного содержания глины в буровом шламе с ее процентной уставкой;
5 - задание режима работы устройства;
6 обычный режим работы при содержании глины в буровом шламе не более уставки в минеральном составе шлама;
7 - режим работы при содержании глины в буровом шламе не менее уставки в минеральном составе шлама;
8 - переход - продолжение сравнения процентного содержания глины, отслеживания процентного содержания глины в динамике проходки скважины;
9 - вывод на индикацию (регистрацию);
10 - конец.
Алгоритм определения процентного соотношения минералов шлама:
11 - старт;
12 - определение процентного соотношения минералов шлама;
13 - фиксация времени и глубины скважины на забое;
14 - вывод на индикацию (регистрацию) результатов пп.12 и 13;
15 - возврат в основную программу (на блок 4).
Алгоритм задания отслеживания, сравнения процентного содержания глины с уставкой, т.е. пороговым значением обвала включает:
16 - сравнение процентного содержания глины в буровом шламе с процентной уставкой: если процентное содержание глины в буровом шламе не больше уставки, то переход на блок 17 (см. блок 6 основной программы - обычный режим работы при содержании глины в буровом шламе не более уставки в минеральном составе шлама); если процентное содержание глины в буровом шламе больше уставки, то переход на блок 16 (блок 7 основной программы - подпрограмму задания отсчета времени учета обвала глины, положения отсчета по глубине скважины, отслеживания процентного содержания глины при соответствующем отсчете, определение типа породы);
17- задание обычного режима работы устройства;
18 - вывод на индикацию (регистрацию) результатов п.15 и переход к п.16;
19 - возврат в основную программу (на блок 9).
Управление работой двух последних алгоритмов производит микропроцессор 15: запуск программ, выдачу на индикацию, переключение режимов и др.
Предлагаемое устройство наиболее целесообразно использовать для количественного анализа минерального состава пород осадочного комплекса в процессе бурения скважин на нефть и газ.
Устройство в процессе обвала глины обеспечивает продолжение анализа состава породы по оставшимся (без глины) трем минералам: карбонату, сульфату и кварцу. При этом анализ соответствует методологии и методике повышения информативности обработки и представления данных, в том числе и данных инфракрасного (ИК) фильтрового анализатора состава породы по шламу при бурении скважины.