Существующая проблема. Высокая степень неоднородности и переслаивания горных пород в процессе их разрушения, а также недостаточная контролируемость напряженно-деформированного состояния бурильного инструмента и режимных параметров бурения ведет к невозможности адекватной оценки фактической нагрузки на долото PDC и снижению эффективности проводки скважин.

Идея работы. Разработка технологии повышения эффективности бурения скважин путем регулирования и прогнозирования сбалансированности системы статической и динамической составляющих фактической нагрузки на долото на основе интерпретации данных виброускорений и геомеханических свойств горных пород, получаемых в режиме реального времени с датчиков телеметрии в компоновке низа бурильной колонны (КНБК).

Детали исследования. На основе лабораторных исследований трехосного сжатия горных пород, данных с датчиков телеметрии и геофизических скважинных систем, предложен алгоритм определения требуемой нагрузки для эффективного разрушения горной породы за счет сопоставления петрофизических данных по разрезу скважины и прогнозирования результирующего ударно-вращательного импульса долота PDC (рис. 1).

Первая часть алгоритма основана на расчете изменения напряженного состояния бурильной колонны, потери ее устойчивости за счет превышения статической нагрузки на долото PDC над осевой жесткостью стержня, так и динамической ее составляющей, образующейся в результате крутильных колебаний и воздействия осевых и боковых вибраций вследствие разрушения горной породы долотом PDC. При этом, возникающий от приложения избыточной осевой нагрузки ударно-вращательный импульс КНБК характеризуется виброускорением, глубиной проникновения резца долота в горную породу и ее резания (скола).

Вторая часть алгоритма включает расчет минимально необходимого для разрушения породы виброускорения для любого значения частоты вращения долота PDC. Определенный диапазон минимального виброускорения позволяет использовать осевые колебания для повышения механической скорости проходки, при этом энергия будет в наибольшей степени затрачиваться на разрушение породы, а при превышении – излишняя энергия, высвобождаемая в виде механической волны вследствие удара долота о породу, рассеивается в колонне бурильных труб и образует крутильные вибрации.

На основе разработанного алгоритма, составлена математическая модель, позволяющая, с применением искусственных нейронных сетей для подготовки промысловых данных, прогнозировать эффективное распределение механической удельной энергии (MSE) при бурении скважин.

Выбрана архитектура полно связной нейронной сети, 8 входных и 2 выходных нейронов. Один из выходных нейронов сигнализирует о наличии крутильных вибраций, другой описывает стабильность параметров. На вход нейронная сеть воспринимает необходимые параметры бурения в количестве 8 наименований.

В качестве основы для разработки математической модели использовалась гипотеза малости деформации, четвертая теория прочности и теория Пальмгрена-Майнера, описывающие совместное действие осевой и поперечной составляющих виброускорений компоновки низа бурильной колонны. Для описания соотношения прикладываемых осевых и поперечных сил введен коэффициент разгрузочной способности КНБК, представленный как отношение осевой энергии к вращающей, формирующих соответствующий тензор напряжений сжатия и сдвига для расчета энергоэффективной нагрузки на долото PDC.

Для оценки энергоэффективности разрушения породы на забое в процессе бурения рассчитывается полная удельная энергия (MSE). Энергоэффективность бурения горной породы достигается, когда значение MSE приближается к значению предела прочности на ее одноосное сжатие (рис. 2).

Заключение. Технология контроля и управления динамической нагрузкой на долото позволит бурить скважины сложной пространственной геометрией и увеличить механическую скорость углубления скважин до 20-50% и обеспечить постоянный мониторинг энергетических затрат для безаварийного строительства скважин на суше и на шельфе.

Результаты работы будут применены и интегрированы в качестве модуля программного комплекса «РН-Буровые расчеты» в рамках целевого инновационного проекта (ПАО «НК «Роснефть»).

Внедрение результатов диссертационных исследований в промышленность способствует развитию отечественных технологий и технических средств надежного строительства нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин.