способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента

Формула изобретения

Способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента, включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости Р(t) и колебаний осевой нагрузки на долото G(t), определение текущих критериев работоспособности и их эталонных значений, и сравнение текущих значений критериев работоспособности с их эталонными значениями, отличающийся тем, что проводят вейвлет-преобразование одномерных сигналов Р(t) и G(t), измеренных в начале и в процессе долбления, с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии, в качестве текущих критериев работоспособности принимают величины Х_Р= Е_f(Р^н)/Е_f(Р^т) и Х_G= Е_f(G^H)/Е_f(G^T) соответствующих сигналов, где Е_f(Р^н) и Е_f(G^H) - полная энергия соответственно колебаний давления промывочной жидкости и колебаний осевой нагрузки в начале долбления; Е_f(Р^т) и Е_f(G^T) - полная энергия 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля и измерения параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. 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, Е 21 В 45/00, БИ 36, 1988).

Наряду с неоспоримыми достоинствами, классическое преобразование Фурье (спектральный анализ) иногда оказывается недостаточно эффективным при обработке сложных сигналов. Например, Фурье-преобразование не отличает сигналы двух синусоид, один из которых представляет собой сумму синусоид с различными частотами, второй - последовательность следующих друг за другом синусоид. В обоих случаях их спектр будет выглядеть как пики на фиксированных частотах. Поэтому преобразование Фурье в своем традиционном виде не приспособлено для анализа нестационарных сигналов, в том числе локализованных на некотором временном интервале, так как теряется информация о временных характеристиках сигнала. Следовательно, спектральный анализ реальных сигналов необходимо осуществлять как на частоте, так и во времени.

Известен способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента путем регистрации колебаний давления промывочной жидкости в нагнетательной линии и вычисления величины критерия его работоспособности (А.с. 1800011, СССР, E 21 B 45/00, БИ 9, 1993). В данном решении вычисляют корреляционную размерность и в начале, и в процессе бурения, определяют критерий работоспособности и его эталонное значение для каждой конкретной режимной пачки бурения, а границу времени работоспособности отождествляют со временем достижения критерием его эталонной величины.

Недостатком этого метода является довольно сложная процедура определения критерия работоспособности, и соответственно низкая точность оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента (А.с. 1102906, СССР, Е 21 В 45/00, БИ 26, 1984), включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости на долото и колебаний осевой нагрузки на долото, выбор текущих критериев работоспособности, задание их эталонных значений и определение работоспособности породоразрушающего инструмента сравнением текущих значений критериев с их эталонными значениями. При этом в качестве текущих критериев работоспособности по прототипу используют коэффициенты вариаций большого количества замеряемых параметров, в том числе затрат мощности на бурение, скорости проходки и т.д., с учетом уровня значимости и цифрового значения интервала усреднения.

Известный способ сложен и недостаточно точен для определения состояния породоразрушающего инструмента в процессе бурения скважины.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения точности оценки технического состояния породоразрушающего инструмента (долота) в процессе эксплуатации при упрощении за счет снижения количества контролируемых параметров.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ определения работоспособности породоразрушающего инструмента, включающий измерение колебаний давления промывочной жидкости P(t) и колебаний осевой нагрузки на долото G(t), определение текущих критериев работоспособности и их эталонных значений и сравнение текущих значений критериев работоспособности с их эталонными значениями, отличающийся тем, что проводят вейвлет-преобразование одномерных сигналов P(t) и G(t), измеренных в начале и в процессе долбления, с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии, в качестве текущих критериев работспособности принимают величины X_p= E_f(P^H)/E_f(P^T) и X_G= E_f(G^H)/E_f(G^T) соответствующих сигналов, где E_f(P^H) и E_f(G^H) - полная энергия соответственно колебаний давлений промывочной жидкости и колебаний осевой нагрузки в начале долбления, E_f(P^T) и E_f(G^T) - полная энергия 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.

Термин "вейвлет" (дословный перевод - маленькая волна) появился сравнительно недавно - его ввели Гроссман и Морле в середине 80-х годов в связи с анализом свойств сейсмических и акустических сигналов (Crossman A., Morlet J. , SIAM J. Math.Anal.15723, 1984). В настоящее время вейвлет-анализ начинает широко применяться в задачах распознавания образов; при обработке и синтезе различных сигналов; при анализе изображений самой различной природы; для изучения свойств турбулентных полей; для свертки (упаковки) больших объемов информации и во многих других случаях. Однако вейвлет-преобразование еще недостаточно широко известно кругу исследователей, занимающихся анализом экспериментальных и промысловых данных. Поэтому приведем некоторые сведения из теории вейвлетов, которые понадобятся при практическом его применении для анализа сигналов различной природы.

Вейвлет-преобразование одномерного сигнала (например, колебаний давления промывочной жидкости или колебаний осевой нагрузки на долото) состоит в его разложении по базису, сконструированному из обладающей определенными свойствами солитоноподобной функции (вейвлета) посредством масштабных изменений и переносов. Каждая из функций этого базиса характеризует как определенную пространственную (временную) частоту, так и ее локализацию в физическом пространстве (времени). Таким образом, в отличие от традиционного Фурье-анализа, который хорошо локализует частоту сигнала, но без временного разрешения, вейвлет-преобразование обеспечивает двумерную развертку исследуемого сигнала, при этом частота и координата рассматриваются как независимые переменные. В результате появляется возможность анализировать свойства сигнала одновременно в физическом (время, координата) и в частотном пространствах. Коэффициенты вейвлет-преобразования определяются как сумма по временной оси сигнала, помноженного на масштабированную и сдвинутую копию первоначального (базового) вейвлета:



Чтобы обеспечить частотный анализ, базовый вейвлет должен иметь еще один аргумент - масштабный коэффициент, который является аналогом частоты в Фурье-анализе. Процесс масштабирования и сдвига по времени выглядит следующим образом:





где - базовый вейвлет; s - масштабный коэффициент, введен как делитель t, причем масштабированию подвергается и сдвиг .

На фиг. 1 приведена частотно-временная локализация вейвлет-преобразования, из которой видно, что при увеличении временного масштаба уменьшается ширина прямоугольника, происходит сужении в частотной области, а это свойство вейвлет-преобразования дает преимущество при анализе сложных сигналов, выявляя их низкочастотные и высокочастотные характеристики. Существуют различные типы базисных вейвлетов, но все они должны удовлетворять следующим основным свойствам: она должна быть ограничена локализована, т.е. определена на конечном интервале времени и частоты; нулевые моменты должны быть равны нулю, Выбор типа базисного вейвлета зависит от того, какую информацию необходимо извлечь из анализируемого сигнала.

На фиг. 2 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа определения работоспособности породоразрушаюшего инструмента при бурении скважин.

Устройство содержит приемник сигналов - датчики 1 и 2, блок нормирования 3, аналого-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 как приемники сигналов. Датчик 1 устанавливается на неподвижном конце талевого каната или гидравлическом индикаторе веса для измерения колебаний осевой нагрузки на долото G(t), а датчик 2 - на манифолдьной линии для измерения колебаний промывочной жидкости Р(t).

Далее сигналы, каждый по своему каналу связи, поступают на блок нормирования 3, который обеспечивает согласование диапазонов выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов аналого-цифрового преобразователя 4. Блок обработки и управления 5 формирует управляющие сигналы, проводит вейвлет-преобразование одномерных сигналов P(t) и G(t) с определением их масштабно-временной развертки и значений полной энергии Е_f процессов E_f ^P и E_f ^G в любой момент времени бурения. В качестве текущих критериев работоспособности принимаются величины соответствующих сигналов, измеренных в начале и в процессе долбления, а работоспособность породоразрушающего инструмента определяется сравнением текущих значений критериев X_P и Х_G с их эталонными значениями, определяемыми в процессе бурения первой скважины на кусте для максимально изношенного инструмента.

Блок индикации 6 предназначен для визуального контроля изменения масштабно-временной развертки сигналов Р(t), G(t) и изменения текущей величины критериев Х_P и X_G для сравнения с их эталонными значениями, что позволит сохранить работоспособное состояние породоразрушающего инструмента в процессе бурения. Пульт управления 7 служит для корректировки оператором необходимых параметров, изменениями которых сопровождается процесс бурения скважины, а именно: изменения типа породы, долота, забойного двигателя, режима бурения.

В результате проведения многочисленных экспериментов на модельных (гармонический, трендовый, импульсный) и других видах сигнала нами был выбран вейвлет DOG (Different of Gaussians) с параметром производной m=2. Такой вейвлет носит название МНАТ-вейвлет (Mexican hat).

Для количественной оценки вейвлет-преобразования необходимо использовать его энергетические характеристики. Плотность энергии E_c(s,) = C²_s, характеризует энергетические уровни исследуемого сигнала f(t) в пространстве (s,)= (масштаб, время). Полную энергию сигнала можно записать через плотность энергии:



Пример реализации предлагаемого способа.

Для проведения вейвлет-преобразования были использованы измерения колебаний давления промывочной жидкости (Р) и осевой нагрузки на долото (G), полученные при бурении скважин на кусте 769 "бис" Самотлорского месторождения. Исследования проводились по следующей методике: внешний вид полученных записей P(t), G(t) для достаточно больших временных интервалов (порядка 20-25 мин) позволяет сделать предположения о стационарности и эргодичности случайных функций. Поэтому анализу подвергались оцифрованные данные с дискретностью 3 с. записей P(t), G(t) в начале и в процессе каждого из всех долблении на исследуемом кусте с определением технического состояния долот. В качестве критерия для оценки технического состояния долота в процессе эксплуатации выберем величины:



где E_f(P^H) и E_f(G^H) - полная энергия колебаний давления жидкости и осевой нагрузки соответственно в начале долбления;

E_f(P^T) и E_f(G^T) - полная энергия колебаний давления жидкости и осевой нагрузки соответственно в процессе долбления.

Проанализировано 36 долблений при бурении шести скважин. Выявлено, что в начале бурения любого из 36 долблений, когда долото новое, критерии работоспособности изменялись в следующих пределах:

Х_р=4,58-8,84 и X_G =5,41-9,83.

По мере эксплуатации долота величины критериев уменьшились, и к концу давления в зависимости от различного технического состояния долота критерии составили:

X_P ^min= 2,50-3,50; Х_G ^min= 2,00-4,00 (минимальный износ долота - B₁,П₁, В₁П₂);

X_P ^max=0,30-0,40; X_G ^max=0,20-0,40 (максимальный износ долота - В₄П₃).

Следовательно, максимальное значение критериев X_p ^max и X_G ^max можно принять в качестве эталонных при бурении последующих скважин на этом кусте.

В качестве конкретного примера рассмотрим результаты вейвлет-анализа и расчет эталонного значения критерия работоспособности долота при бурении первой скважины на этом кусте ( 30658). На фиг.3 и 4 представлены результаты вейвлет-преобразования, а именно масштабно-временные развертки для неизношенного долота (интервал 1201-1350 м, износ - В₁П₂) и изношенного долота (интервал 1047-1201 м, износ В₄П₃₎ соответственно. На левой картине фиг.3 когда долото новое в значениях коэффициентов легко различаются многочисленные периодически повторяющиеся детали в верхней части картины, что соответствует низкочастотным модам колебаний сигнала. Для правой части картины, при небольшом износе долота, характерны высокочастотные составляющие в нижней части картины, а периодически повторяющиеся детали укрупняются, растягиваются. Для изношенного долота, фиг.4, видим увеличение мелкомасштабных деталей в высокочастотной области, что говорит о наличии беспорядочных, хаотических колебаниях долота. В низкочастотной области на протяжении всего временного интервала масштабы деталей сохраняются, прослеживается похожая на периодическую структура.

В таблице приведены результаты расчета критерия работоспособности долота при бурении скв. 30568. Как видно из таблицы, значения критериев работоспособности долота Х_P и X_G отличаются для различных технических состояний долота. Для изношенных долот X_P=0,36-0,85, X_G=0,27-0,73. Следовательно, исходя из этих результатов в качестве эталонных значений критериев работоспособности долота, можно рекомендовать X_P=0,30, Х_G=0,20. При бурении последующих скважин на этом кусте необходимо контролировать текущие значения критериев и по мере их приближения к эталонным значениям критериев принимать оперативное решение.

На фиг. 5 показан процесс изменения критерия работоспособности долота, определенный по колебаниям осевой нагрузки на долото в процессе второго долбления на скв. 30568. Контролируется критерий



где E_f(G^T)- полная энергия текущих значений колебаний осевой нагрузки на долото, измеряемых с интервалом дискретности - 3 с в течение 25 мин. Как видно из фиг.5, величина критерия работоспособности постепенно уменьшается с X_G ^max=2,0 до Х_G ^min=0,24 для сильно отработанного долота.

Таким образом, предлагаемый способ контроля технического состояния породоразрушающего инструмента с применением методов вейвлет-преобразований дополняет другие критерии оценки глубинного оборудования и может найти применение при разработке и эксплуатации автоматизированных систем управления процессом бурения.