Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В исследовании вибраций, возникающих в буровом оборудова­нии и в массиве горных пород во время работы долота на забое, четко наметились два направления. Сторонники первого направ­ления предлагают использовать данный метод для решения сле­дующих технологических задач [37, 81, 133].

1. Прогнозирование показателей буримости горных пород, еще не вскрытых долотом, оценка деформационно-прочностных ха­рактеристик пройденных горных пород, определение расстоя­ния от бурового долота до первой литологической границы или до границы со скачкообразно изменяющимися физическими свой­ствами [133].

Решение этих задач возможно благодаря тому, что основ­ные показатели буримости пород определяются их физико­механическими характеристиками (модуль Юнга, коэффици­ент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости), которые в свою очередь функционально связаны со скоро­стями распространения продольных и поперечных упругих волн и могут быть установлены в условиях естественного за­легания горных пород по данным геоакустических исследо­ваний [40, 81, 133].

Необходимые для количественной оценки модулей упругости пород сведения о плотности среды могут быть получены либо по геологическим данным, либо путем оценки плотности пород на основе анализа шлама в процессе бурения [133].

2. Определение текущих координат долота в процессе бурения и конечных координат забоя [133]. Непрерывное наблюдение за текущими координатами забоя служит для оперативного изме­нения траектории ствола скважины и оценки эффективных мощ­ностей вскрываемых продуктивных пластов при бурении наклон­но-направленных, горизонтальных скважин, а также скважин с крутыми углами наклона пластов.

3. Прогнозирование момента подхода породоразрушаюшего ин­струмента к участкам разреза, которые могут вызвать осложне­ния процесса бурения. Наиболее актуально прогнозирование пластов с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД), гигантских трещин, разломов, зон аномального поглощения про­мывочной жидкости [133].

4. Определение интервалов прихвата бурового инструмента [133].

5. Определение частоты вращения (динамики взаимодействия) долота при турбинном бурении [40, 81].

6. Изучение вибрационных явлений в отношении их разруши­тельного действия на элементы бурового оборудования, а также для определения передаточных функций бурильной колонны как канала связи.

Сторонники второго направления предлагают использовать его для решения следующих геолого-геофизических задач непо­средственно в процессе бурения [133].

1. Изучение скоростей распространения упругих волн для по­строения геоакустической модели среды с целью уточнения струк­турных построений по данным сейсморазведки.

2. Литологическое расчленение разреза пройденных отложений и выделение продуктивных пластов, предварительная оценка харак­тера их насыщения и коллекторских свойств до образования зоны глубокого проникновения фильтрата в пласт, а также зоны вокруг скважины с градиентом горного давления и физико-механических свойств. Для повышения эффективности решения геолого-геофи- зических задач в процессе бурения весьма желательно комплекси — ровать их с анализом образцов горных пород.

Исследовательские работы по изучению применения сейсмоа- кустических (геоакустических, виброакустических) методов в про­цессе бурения особенно широко проводятся в России, а также за рубежом (США и др.). По технико-методической направленности эти исследования условно можно разделить на две группы: 1) изу­чение акустических полей, возникающих в процессе бурения; 2) из­мерение вибраций верхней части бурильной колонны.

Акустические поля в процессе бурения в опытном порядке с помощью серийной сейсмической аппаратуры исследуются ин­ститутами ВНИИБТ и ВНИИЯГГ [72], а также трестом Тюмен — нефтегеофизика в основном с целью пеленгации забоя наклон — но-направленной скважины по шуму работающего долота.

В измерениях вибраций верхней части бурильной колонны, проводимых в последнее время рядом организаций (ГАНГ им. И. М. Губкина, ТНГУ, тресты Саратовнефтегеофизика, Тю — меннефтегеофизика и др.) в России и за рубежом (фирма СНПА, Франция [81] и др.), наметились два основных направления:

а) получение информации о состоянии и динамике работы породоразрушающего инструмента; б) получение информации о характере проходимых долотом пород, которые имеют тенден­цию к слиянию в единый геолого-технологический измеритель­ный комплекс.

Отправной точкой измерения вибраций верхней части буриль­ной колонны явилось предположение о том, что в процессе раз­рушения породы долото любого типа возбуждает в колонне бу­рильных труб механические колебания, которые распространя­ются к поверхности, неся определенную информацию о явлени­ях на забое. В дальнейшем эта концепция получила теоретиче­скую и экспериментальную разработку.

Уже первые экспериментальные работы по исследованию виб­рации верхней части бурильной колонны показали, что акусти­ческий шум, возникающий при перекатывании шарошек по за­бою и распространяющийся по колонне труб к устью скважины, определяется очень многими параметрами — типом разбуривае­мой породы, осевым давлением, частотой вращения долота, фи­зическими параметрами глинистого раствора, длиной колонны бурильных труб и т. п. [81]. В работе [133] отмечалось, что в спек­тре продольных колебаний верхнего конца бурильных труб вы­делена основная частота, в 3 раза превышающая частоту враще­ния долота. Авторы предположили, что возникновение продоль­ных колебаний труб связано в основном с уступчатой формой забоя скважины. Отсюда следует, что возмущающая сила, гене­рирующая продольные колебания, является синусоидальной функцией, частота которой в N раз (И— число шарошек долота) превышает частоту вращения долота. Эти колебания часто назы­вают грунтовыми.

Затем исследования были направлены на выяснение забой­ных факторов, обусловливающих колебания инструмента при бу­рении шарошечными долотами [133]. Из множества факторов выделили три основных: зубчатость поверхности шарошки, вол — нообразность поверхности забоя и скачкообразность разруше­ния горных пород. Все эти факторы обычно действуют одновре­менно, но в зависимости от конструктивных особенностей доло­та и механических свойств разбуриваемых пород влияние како­го-либо отдельного фактора может играть второстепенную или же, наоборот, решающую роль. Так, например, если при буре­нии относительно нетвердых упругохрупких пород (мрамора и др.), когда глубина образовавшейся лунки под зубом долота в несколько раз превышает амплитуду вертикальных перемеще­ний долота, вызываемых зубчатой поверхностью шарошки, ос­новная роль отводится фактору скачкообразности разрушения пород, то при бурении очень твердых и крепких пород (гранита, кварцита и др.), когда разрушение породы под зубом долота про­исходит лишь после многократного действия зубьев долота в ре­зультате усталости породы, наиболее существенным фактором следует считать зубчатость поверхности шарошки.

В работе [133] также отмечается связь параметров вибрации с забойными условиями. Так, снижение частоты вращения буриль­
ной колонны приводит к уменьшению амплитуды и частоты про­дольных колебании. Наблюдая же за изменением амплитуд колеба­ний в процессе бурения, можно качественно оценить проходимые породы. С увеличением твердости разбуриваемых пород амплитуда сигнала вибрации растет [40]. Другими исследователями была от­мечена количественная связь между частотой вращения долота и частотой вибрации [40, 140]. Они установили следующее: упругие колебания бурильной колонны в диапазоне частот 100—600 Гц за­висят от работы зубьев долота на забое скважины. Несмотря на широкий спектр частот рассматриваемых акустических колебаний, в их составе явно выражены частотные максимумы, соответствую­щие первой гармонике колебания.

Число ударов т зубьев шарошек о забой в единицу времени зависит от конструкции долота и частоты его вращения:

й

т = —~пі, (4.50)

где Д Д, — диаметры долота и шарошки;

п — частота вращения долота;

г — число зубьев, попеременно воздействующих

на забой.

Поскольку для каждого типа долота величины Д и г по­стоянны и не изменяются в процессе бурения, найти частоту вращения долота можно по частоте ударов зубьев (частота ос­новной гармоники анализируемых колебаний). Число ударных зубьев долота г определяется через число ударных зубьев каждой шарошки £і, 2 3:

г = + і2к2 + 13кь

где ^1,

^1,2,3

2,3

7 Л. 7 а 7 > ^1. 2. з = £о, 1, 2, 3&1, 2, 3> £|, 2, 3 —

•С| + її + — Сз

число ударных зубьев шарошки;

—

1. 2, 3 к

общее число зубьев шарошки;

— коэффициент перекрытия.

Для долота 2К214 СГ число ударных зубьев, определяемое по указанной формуле, равно 19; тогда частота вращения долота п = 1,7/; для долота же 9М п = 2,16/(где п в об/мин, /в Гц).

Частоту вращения до­лота можно определить, если учесть еще один ис­точник вынужденных колебаний бурильной колонны — волнообраз­ную поверхность забоя. Частота колебаний этого источника не зависит от твердости пород и в слу­чае трехшарошечного до­лота определяется как

Рис. 4.21. Зависимость формы сигнала от твердости пород.

/= 3/7/60.

Породы: а — мягкие, б — сред­ние по твердости, в — твердые

Эти колебания накла­дываются на колебания первого источника (рабо­та зубьев) и их можно об­наружить в огибающей виброграммы. Таким об­разом, регистрация устьевых колебаний и выделение периодиче­ской составляющей, вызванной волнообразной поверхностью за­боя, позволит контролировать частоту вращения долота при буре­нии в породах любой твердости [40].

Так, показания аппаратуры измерения оборотов виброакусти- ческим методом и показания гидротурботахометра ГТН-ЗМ при бурении долотами 2К214 СГ и ТК214 СГ в условиях Тюменской области совпали с точностью 5—10% [40]. Частота данного вида колебаний, называемых часто «грунтовыми», пропорциональна числу шарошек долота [40].

Ранее уже указывалось [40], что с увеличением твердости раз­буриваемых пород амплитуда сигнала вибрации растет.

Экспериментальным путем установлено, что и форма сигнала зависит от твердости горных пород [140]. При бурении мягких пород форма сигналов близка к синусоидальной (рис. 4.21, а). При бурении пород средней твердости симметрия формы сигналов ис­кажается (рис. 4.21, б), а при бурении твердых пород в сигнале отчетливо прослеживаются короткие всплески большой амплиту­ды, вероятно, соответствующие ударам зуба долота по породе при хрупком ее разрушении (рис. 4.21, в). Отмечается также, что сиг­налы по форме резко отличаются от напряжения помех. В связи с
этим аппаратурный комплекс должен обеспечить измерение и за­пись как амплитуды и частоты сигналов, так и их формы и частот­ного спектра, так как любой из этих параметров (или сочетание их) может нести информацию о забойных процессах. В дальней­шем удалось в спектре частот колебаний, возникающих в резуль­тате работы долота на забое, выделить участки, несущие различ­ную информацию о забойных условиях [72].

Анализ колебаний показан, что в случае бурения твердых по­род частота изменяется пропорционально нагрузке на долото и, следовательно, частоте вращения долота. При этом колебания, обу­словленные работой зубьев, приближаются к квазигармоническим. При бурении мягких пород колебания больше приближаются к флуктуационным и обладают более сложной формой.

Авторы работы [50] считают, что от твердости горных пород зависят два основных параметра: уровень высокочастотных ко­лебаний (более 1 кГц) и сдвиг максимумов в области средних частот (90—400 Гц); они считают также, что наиболее устойчи­вым параметром, отражающим прочностные свойства разбури­ваемых пород, менее всего зависящим от режимов бурения, яв­ляется уровень высокочастотных колебаний. При этом целесо­образно рассматривать нормированные спектральные плотности, так как обший уровень колебаний зависит от осевого давления и частоты вращения. При этом по относительному превышению уровня колебаний диапазона 5—10 кГц над общим уровнем можно однозначно судить о крепости пород.

Из приведенных данных следует, что вибрация в бурении чрез­вычайно сложное явление, требующее особого подхода к его изу­чению. В настоящее время еще не существует четкого представ­ления о видах вибраций, недостаточно ясны причины, вызываю­щие тот или иной вид вибрации, мало изучены свойства механи­ческой системы долото — колонна бурильных труб — вышка как канала связи забоя с поверхностью, не создана единая математи­ческая модель процесса бурения, которая была бы подтверждена лабораторными и промысловыми испытаниями.

В настоящее время специалистами фирмы С14АП (Франция) разработана динамическая теория бурения, основанная на соз­дании работающим трехшарошечным долотом продольных виб­раций и передаче этих вибраций через колонну бурильных труб [72]. Согласно этой теории трехшарошечное долото рассматри­вается как генератор механических волн в сложной системе, вклю­чающей в себя колонну бурильных труб и буровую вышку, с од­ной стороны, и породу — с другой. Во время вращения долота его зубья последовательно являются опорой для вертикальной нагрузки долота на породу. При перемещении от одного зуба к следующему зуб вынужден проделывать свой пугь между двумя препятствиями — породой и УБТ. Полное вертикальное переме­щение распределяется между этими двумя препятствиями соглас­но их относительным сопротивлениям. Частота этих перемеще­ний, очевидно, зависит от конструкции долота и частоты его вращения. Следовательно, долото может быть охарактеризовано как генератор или, вернее, преобразователь энергии: от буриль­ной колонны оно получает энергию, равную крутящему момен­ту, умноженному на частоту вращения, а затем преобразовывает, в частности при ударном действии на породу, в энергию, выра­женную произведением силы на вертикальное перемещение. Это преобразование происходит при относительно высоких часто­тах — от нескольких ударов в секунду до нескольких десятков ударов в секунду. Все это привело исследователей к выводу о том, что концентрацией статической нагрузки можно лишь час­тично объяснить явление разрушения породы в бурении. Наобо­рот, для того чтобы представить работу трехшарошечного доло­та, необходимо использовать схему электрического трансформа­тора, который передает только переменную энергию. Таким об­разом, долото рассматривается как источник энергии, которая поступает в две параллельные системы; одна система — порода, а другая — УБТ, бурильные трубы и вышка.

Энергия, которая поступает в породу, служит для ее разруше­ния, поэтому скорость бурения будет возрастать с приближени­ем значений этой энергии к максимуму.

Энергия, распространяющаяся вверх на УБТ, поступает в бу­рильные трубы и более или менее быстро затухает за счет эффекта амортизации или за счет потерь энергии в зависимости от харак­тера взаимодействия бурильных труб со стенками скважины.

Изучение спектра позволило установить несколько характе­ристических частот при работе долота на забое. Эти частоты, очевидно, зависят от частот вращения долота /?; выявлены ос­новные частоты: 3 п; 10—15 п: 18—25 п. Частота 3 п связана с трой­ной симметрией трехшарошечного долота. Частоты 10—15/7 и 18—25/7 создаются зубьями промежуточных и периферийных венцов каждой шарошки. Точное значение частоты колебаний зависит от типа долота, применяемого оборудования и условий бурения. Для расчета распространения колебаний по колонне бурильных труб на поверхность применен метод механических импедансов и четырехполюсников. При этом сложная механи­
ческая система разбивается на отдельные составные части, ка­ждая из которых характеризу­ется собственной резонансной частотой; сила выражается че­рез напряжение, скорость — через силу тока, масса — через индуктивность, сила пружи­ны — через емкость и затуха­ние — через сопротивление.

Не вдаваясь в подробности динамической теории [72], сле­дует сказать, что это лишь пер­вая попытка, содержащая в себе множество упрощающих допу­щений. Во-первых, эта теория неизбежно должна нести в себе очень серьезное ограничение, так как она разработана только для упругого, а следовательно, обратимого процесса, в то вре­мя как бурение — это процесс, который ведет к разрушению горной породы, а это предпо­лагает выход за пределы облас­ти упругих явлений. Во-вто — рых, рассмотрено лишь трех­шарошечное долото. И нако­нец, необходима серьезная ра­бота по изучению побочных колебаний, поведения бурильной колонны и т. п.

Прежде чем сделать выводы о возможностях использова­ния метода измерения вибрации, рассмотрим некоторые при­меры применения этого нового вида информации о забой­ных явлениях.

На основе описанной выше динамической теории бурения фирмой СНАП созданы метод, а также аппаратура «мгновенно­го каротажа», получившего название СНАП-лог [72]. Измере­ния выполнялись с помощью набора датчиков, позволяющих одновременно измерять как статические, так и динамические величины (рис. 4.22). Главной частью набора является специ­альная муфта 1, в которой находятся датчики, измеряющие силы
и ускорения продольных колебаний, веса на крюке, частоты вращения колонны и давления промывочной жидкости. Изме­рение сил и ускорений крутильных колебаний, а также измене­ние вращающего момента осуществляются в специальной муф­те 3, расположенной под роторным столом 2. Кроме того, из­меряется скорость бурения с помощью вращающегося ролика, установленного на крон-блоке. Сигналы с датчиков, находя­щихся в муфтах, снимаются с помощью вращающихся контак­тов; затем по кабелю 4 они подаются в обрабатывающую и ре­гистрирующую аппаратуру. Диаграмма СНАП-лог представля­ет собой запись ускорений § вибрационного перемещения верх­ней части бурильной колонны в зависимости от глубины сква­жины. Были сделаны попытки одновременной записи скорости бурения и крутящего момента.

В результате промысловых испытаний (около 15000 м сква­жин) была установлена корреляция диаграмм СНАП-лог с диа­граммами стандартного каротажа при глубине скважин до 3300 м на юго-западе Франции.

Совместная запись диаграмм V и g позволяет получать ин­формацию о поведении долота на забое. На рис. 4.23 изображена запись этих параметров при бурении твердых и мягких пород малой мощности. Скорость бурения возрастает при входе в мяг­кие горизонты; при пересечении мягких горизонтов достаточ­ной мощности скорость бурения быстро падает (участки а). За­пись § на этих участках не имеет существенных изменений. Это свидетельствует о том, что условия бурения не соответствуют нор­мальным. В данном случае оказалось, что на отмеченных участ­ках режим промывки был неоптимальным, долото забивалось породой, что привело к снижению скорости бурения. На диа­грамме II показана та же кривая скорости бурения (Г), если бы она была получена при оптимальной промывке (участки б). Та­кая информация может помочь бурильщику избежать ошибок в регулировании режимных параметров.

Кроме того, согласно принципу СНАП-лог, остановка вра­щения шарошек, например из-за заклинивания опор, ведет к затуханию сигнала; при этом наблюдается резкое увеличение кру­тящего момента. Анализируя зависимости между вибрацией и скоростью бурения, также можно выделить пористые пласты. Пер­вые попытки свидетельствуют о перспективности таких исследо­ваний [72, 81].

Положительные результаты по использованию вибраций как одного из источников информации о забойных условиях достиг-

Рис. 4.23. Диаграммы механической скорости V и СНАП-лог g. Режим промывки: 1 — неоптимальный, II — оптимальный

нуты в настоящее время и в России. При этом измерение тех или иных характеристик вибрации носит комплексный характер, т. е. одновременно измеряются и записываются другие параметры, характеризующие режим бурения и геологические условия.

В тресте Саратовнефтегеофизика при разработке комплек­са геолого-геохимического обслуживания скважины в качест­ве одного из информативных параметров была введена анало­говая запись амплитуды продольных вибраций верхней части бурильной колонны. Это позволило более точно проводить границы между пластами в литологической колонке, постро­енной по шламу.

Экспериментальные работы по исследованиям вибраций верх­ней части бурильной колонны в процессе бурения скважин про­водил трест Тюменнефтегеофизика совместно с Тюменским ин­дустриальным институтом [40, 81 и др.].

По ряду нефтяных месторождений Западной Сибири получе­ны виброграммы в комплексе с диаграммами других параметров процесса бурения, регистрируемых станцией АСПБ [81], изуче­ны спектры и амплитуды вибраций в различных геолого-техно — логических условиях, изучены передаточные функции буриль­ной колонны как канала связи и т. п.

Наметившаяся в настоящее время тенденция расширения ра­бот по исследованию вибраций и геоакустических полей в про­цессе бурения позволяет ожидать в ближайшее время появления новых теоретических и аппаратурно-методических решений, на­правленных на получение как технологической, так и геологиче­ской информаций непосредственно в процессе бурения.

Рассмотрение возможностей виброакустического метода ис­следования скважин в процессе бурения позволяет сделать сле­дующие выводы.

На данном этапе развития виброакустических методов изме­рение вибраций, вызываемых работой долота на забое и переда­ваемых по колонне бурильных труб и массиву горных пород на поверхность, может быть использовано как дополнительный ис­точник информации о динамике работы породоразрушающего инструмента и твердости проходимых пород. При этом возмож­но уточнение границ между пластами, изучение динамики вра­щения долота во времени, определение момента заклинивания опор или поломки зубьев долота.

Динамику процесса бурения можно также исследовать по дан­ным спектральной и корреляционной обработки волновых про­цессов, зарегистрированных на поверхности.

Корреляционный способ анализа позволяет регистрировать колебания очень низкой частоты, что невозможно осуществить никакими известными методами прямых измерений.

Динамические характеристики сигналов, зарегистрированные в процессе бурения, позволяют расчленить геологический разрез по акустическим параметрам горных пород.

С целью получения по данным измерений вибраций комплекс­ной технолого-геологической информации необходимо одновременно с записью параметров вибраций записывать и анализировать все пе­ременные параметры режима бурения, способные затруднить выде­ление и анализ информационного сигнала или изменить его.

Комментарии запрещены.