Технические науки/10. Горное дело

Ст-т. Епихин А.В.

Томский политехнический университет, Россия

Исследование влияния различных факторов на электрические импульсы, возникающие при бурении скважин (обзор).

Введение

Объектом наших исследований являются электромагнитные явления при разрушении горных пород бурением, а именно исследование влияния нефтенасыщенности песчаников на импульсные электрические токи, возникающие при бурении скважин. На мой взгляд, эта тема весьма актуальна и может вызвать интерес в широких научных кругах. Давно не секрет, что большие финансовые средства, а также бесценное время тратится для точного определения момента внедрения породоразрушающего инструмента в продуктивный пласт. Ведь различные погрешности в определении этого момента существенно сказываются на процессе бурения и на самом результате. Если бы при бурении мы могли с точностью до сантиметров, а главное, до минут определить момент входа в продуктивный пласт, то это существенно сократило бы расходы на данном этапе бурения, а также увеличило саму скорость бурения.

Основной целью исследований является разработка методики контроля разрушения горных пород бурением путем записи и анализа токов, протекающих через бурильную колонну с границы раздела: буровой инструмент – порода. В качестве породы, в рамках данной работы, рассматриваются песчаники различного гранулометрического состава, так как именно эта горная порода является основной составляющей коллекторов Западной Сибири.

В процессе работы проводились лабораторные исследования токов при резании и бурении горных пород в широком диапазоне частот от 0 до 10 мГц. В результате были установлено, что влияние на величину и характер токов оказывают следующие факторы: тип горной породы и её механическая прочность, а также её состав; состав промывочной жидкости, используемой при бурении и резании; усилия на породоразрушающий инструмент; нефтенасыщенности горных пород.

Краткая история исследований

Следует отметить, что данная работа является развитием ранних работ ТПИ по регистрации электрических явлений при разрушении горных пород бурением. Ещё в 1970 году в ТПИ под руководством профессора А. А. Воробьева были начаты теоретические и экспериментальные исследования на тот период совершенно нового явления – электризации твёрдых тел при механическом воздействии на них. Эти исследования позволили выйти на различные направления практического использования данного явления. Было доказано, что минеральный состав, а также насыщенность горной породы флюидом существенно влияют на измеряемое электромагнитное поле. В ТПИ также предпринимались попытки контролировать разрушение горной породы при бурении алмазным породоразрушающим инструментом, однако электромагнитное поле за пределами образцов удалось зарегистрировать только при сухом бурении. Промывочная жидкость, в качестве которой во время лабораторных исследований использовалась вода, полностью экранировала электромагнитные поля растущих трещин. Для решения этой проблемы на кафедре бурения скважин была сформулирована идея перехода от бесконтактной регистрации электромагнитных полей к измерению токов замыкаемых с породоразрушающего инструмента на внешний контур в составе: бурильная колонна, элементы бурового станка и горная порода. На основе этой идеи были выполнены лабораторные измерения токов возникающих при бурении и резании горных пород с промывкой различными растворами.

Используемое оборудование

Изначально исследования проводились на буровом станке СКБ-5 с алмазной буровой головкой. Позже, для ускорения лабораторных исследований, был совершен переход на регистрацию импульсных токов и при резании образов горных пород алмазными дисками. Запись импульсных токов при резании образцов горных пород проводили на специальной установке, которая позволяла также регистрировать акустические сигналы. Схема этой установки приведена на рис. №1 (Рис. 1). Установка состоит из нагружающего блока и компьютеризированной измерительной системы. Нагружающий блок прибора включает основание – 1, электродвигатель - 2, направляющую – 4, подвижную каретку – 5 с захватом для закрепления образца горной породы, шпиндель – 12, служащий для передачи вращения алмазному кругу – 11, передаточные механизмы шпинделя – 13 и подвижной каретки – 3. Охлаждение алмазного круга и удаление шлама осуществляется промывочной жидкостью в процессе резания образца.

Измерительная система прибора состоит из персонального компьютера - 9, усилителя – 8 и датчиков. Акустический сигнал принимается микрофоном – 7, усиливается и подается на вход платы акустического цифрового преобразователя, установленного в компьютере.

Для регистрации импульсного тока на шпинделе – 12, изготовленном из немагнитного металла, установлен индукционный датчик – 14 (трансформатор тока на ферритовом кольце). Напряжение на выходе индукционного датчика, наведенное импульсными токами, подается на усилитель – 16, который имеет режекторный фильтр, отсекающий помехи промышленной частоты. Далее напряжение поступает на осциллограф “Tektronix” – и компьютер – 9, где производится спектрально-частотная обработка сигнала.

Подготовка к испытаниям

Для оценки величины импульсов из каждой горной породы готовили не менее 3 образцов. Часть образцов высотой 35 мм изготовили из кернов диаметром 30 мм, другие образцы готовили в виде параллелепипедов размеров от 35*30*20 мм до 35*40*35 мм. При регистрации импульсного тока образцы резали алмазным кругом 100 мм на глубину 5 мм; скорость подачи составляла 2,1 мм/с, частота вращения 22,7 1/с.

Исследование различных факторов на величину импульсных токов

Влияние типа и состава породы на величину импульсных токов

Были исследованы – среднезернистый песчаник с высоким содержанием крупнозернистого материала, глинисто-гидрослюдистый цемент -1, крупно-среднезернистый песчаник с кальцитовым цементом – 2, крупно-среднезернистый песчаник с кальцитовым и кварцевым цементом – 3, мелкозернистый песчаник с кальцитовым цементом – 4.

Результаты исследований представлены на рис. 2. Исследуя данную гистограмму, следует отметить, что большое влияние на величину импульсных токов оказывает гранулометрический состав. Видна закономерность – чем мельче частицы составляющие песчаник, тем более высокий импульсный ток регистрируется. Это можно объяснить большей площадью контакта породоразрушающего инструмента и породы при малой величине частиц её составляющих. Также на величину токов оказывает влияние тип цемента: в образце с кварцевым цементом токи больше по величине, нежели в образце с только кальцитовым цементом. Это можно объяснить большей твердостью кварца по сравнению с кальцитом, что при разрушении горной породы приводит к возникновению более сильных электрических импульсов.

Влияние промывочной жидкости

Были исследованы следующие образцы горных пород: мелкозернистый песчаник с кальцитовым цементом – 1, среднезернистый песчаник с кальцитовым цементом – 2, крупнозернистый песчаник – 3. Результаты исследований приведены на рис. 3. Из графиков видны следующие закономерности: разрушение горной породы в солевом растворе приводит к образованию максимальных по величине токов, затем идет вода, водный раствор ПАВ и минимальные по величине токи регистрировались при разрушении горной породы в присутствии глинистого раствора. Также подтверждается обратно пропорциональная зависимость величины токов от гранулометрического состава породы и её прочности. Следует отметить: чем меньше размер частиц, тем более высокие токи возникают при разрушении, а также чем выше прочность образца, тем больше значения токов.

Таблица №1

Промывочная жидкость	Удельное электрическое сопротивление, Ом*м	Сила импульсного тока, мА
		Горная порода 1	Горная порода 2	Горная порода 3
Солевой раствор	0,0126	30,2	21,6	20,6
Вода	7,07	22,5	18,5	9
Водный раствор ПАВ	5,21	21	12,3	8,1
Глинистый раствор	1,57	18	11,2	7,4

Влияние нефтенасыщенности

Было проведено исследование разрушения горной породы насыщенной флюидом, что привело к весьма интересным результатам. При бурении образца насыщенного нефтью по сравнению с ненасыщенным образцом мы наблюдаем резкое понижение импульсных токов, что достаточно заметно при сравнительном анализе. Это очень важное заключение, так как оно может стать основой разработки реально-используемой системы контроля и регистрации импульсных токов при бурении скважин.

Заключение

Результатом проведенных исследований является большой объем опытного материала, а также выявленные зависимости импульсных токов от типа горной породы и её механических характеристик, промывочной жидкости, насыщенности флюидом. Правильный анализ результатов может помочь нам создать систему контроля и регистрации импульсных токов при бурении скважин, которая позволит сократить денежные и временные затраты на этапе проникновения породоразрушающего инструмента в продуктивный пласт.