（油气井工程专业论文）钻具振动信号的采集及应用研究.pdf

以 t h e a p p l i e dr e s e a r c ha n dd a t aa c q u i s i t i o no f d r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e - c h e nt i a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l i ur u i w e n c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 飞 1，； 。 一i也一 - y ；一 7 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：磕：苤! 日期：2 0 f 年丁月上6 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) 。，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：磕；坌! 指导教师签名： 日期：如i j 年5 月上6 日 日期：沙j 年，月髟日 1 一0 嶙 蕾 摘要 近年来，钻具早期损坏的现象时有发生，从而造成钻进成本的增加。研究表明，钻 柱振动是钻进时井下普遍存在的现象，钻柱的高幅振动是钻具损坏的主要原因，因此， 对钻具振动的研究也日益引起人们的重视。钻柱振动信号是一种信息含量丰富、成分复 杂的振动波，它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的 振动，钻柱与井壁相互碰撞及粘卡一释放引起的振动等。钻柱振动分为纵向、横向与扭 向三种方式。钻柱振动波的特征与钻具结构、钻具的运动状态及所受载荷特性等动力学 特性有关，其信号特征反映了井下钻具的工作状态及岩石特性。因此，对钻柱振动信号 进行实时监测和分析，对于控制钻柱振动，预防钻井事故，判断井下工况，优化钻井以 及识别地层岩性等方面有着重要的意义。 本论文研究分析了钻柱振动产生的机理和信号特征，在国内外相关研究的基础上研 制了振动测量卡箍，开发了一套针对井下钻柱振动信号的地面采集、传输与监控系统。 利用振动信号的时域、频域处理方法，开发出一套相应的钻柱振动信号分析处理软件并 进行了现场试验。通过试验，得到了不同钻进参数对钻具振动信号的影响，钻柱在发生 跳钻、粘卡等井下复杂情况以及钻遇砂岩、页岩、砾岩等岩层时的钻柱振动信号特征。 现场试验表明，不同钻进情况下的钻具振动信号不同，钻进复杂情况对振动信号低 频部分影响较大，地层因素对振动信号的高频部分影响较大。钻具振动信号可以反映钻 具工作状况，对钻具振动的研究有利于识别钻具损坏、降低钻进成本。 关键词：钻具振动，信号采集，井下工况，信号特征 t l 够 ；k 卿 i 0 ； ， t h e a p p l i e dr e s e a r c ha n dd a t aa c q u i s i t i o n o f d r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s c h e nt i a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l i ur u i w e n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h ee v e ri n c r e a s i n gp r e m a t u r ef a i l u r e so fd r i l l i n gt o o l s ， d r i l l i n gc o s th a sr a i s e d a d v a n c e dd e v e l o p m e n td e m o n s t r a t et h a td r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ni sa c l o m m o np h e n o m e n o ni nt h ew e l ld u r i n gd r i l l i n ga n dh i g ha m p l i t u d ev i b r a t i o no ft h ed r i l l i n g s t r i n go f t e ni st h em a i nr e a s o nf o rf a i l u r eo ft h ed r i l l i n gt o o l s s o ，s t u d i e so fd r i l l i n gs t r i n g v i b r a t i o na r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rp e o p l en o w d r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s c o n t a i nv e r yf u l la n dc o m p l e xv i b r a t i o nw a v e s ，i ti n c l u d et h ev i b r a t i o no ft h ed r i l l i n gs t r i n g a n db i tb yt h e m s e l v e s ，t h ev i b r a t i o ns t i m u l a t e db y t h ei n t e r a c t i o no fb i ta n dt h ef o r m a t i o n , t h e v i b r a t i o ni n d u c e db yc o l l i d i n gb e t w e e nd r i l ls t r i n g a n db o r e h o l ea n dv i b r a t i o nc a u s e db y s t i c k - s l i p i tc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ek i n d so fv i b r a t i o n ：l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n , t r a n s v e r s e v i b r a t i o na n dt o r s i o nv i b r a t i o n f e a t u r eo fd r i l l i n gj s t d n gv i b r a t i o nh a v er e l a t i o n s h i pw i t h d r i l l i n gt o o ls t r u c t u r e ，m o t i o nr e s p o n s e , s t r a i na n d - - s oo n t h e r e f o r e , s t u d i e so ft h ed r i l l i n g s t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l sh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c cf o rt h ec o n t r o lo ft h ed r i l l i n g s t r i n g v i b r a t i o n , a c c i d e n tp r e v e n t i o no f 颤l l i n gs t r i n g , j u d g i n gt h ec o n d i t i o ni nd o w nh o l ea n d o p t i m i z e dd r i l l i n gt e c h n o l o g y 。： t h i sp a p e rh a sl e a r n e dt h ed r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o nm e c h a n i s ma n ds i g n a lf e a t u r ei nt h e f i r s t o nt h eb a s i so ft h ei n t e r i o ra n d f o r e i 印r e s e a r c h , t h r o u g ho p t i m i z a t i o no fv i b r a t i o n t r a n s d u c e ra n dd e v e l o p m e n to fe q u i p m e n tk e e p e r , w eh a v ed e v e l o p e das e to fa g r o u n ds y s t e m t oa c q u i r ev i b r a t i o ns i g n a l so ft h ed r i l l i n gs t r i n gw h i c hi sa p p r o v e df o ra c q u i s i t i o no fd r i l l i n g s t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s t h e nt h i sp a p e rr e s e a r c h e s p r o c e s s i n gm e t h o d so fd r i l l i n gs t r i n g v i b r a t i o ns i g n a l si nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n , d e v e l o p sc o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n g s o f t w a r ef o rt h ed r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l sa n d t a k eaf i e l dt e s tf o rt h es 0 1 a r ew i la l o n gt i m e a tt h es a m et i m e , t h ep a p e ra 凹u i r e 蛳咖s t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l si nd i f f e r e n t d r i l l i n gs t r i n gc o m b i n a t i o n s ，d i f f e r e n td r i l l i n gp a r a m e t e r s ，d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n t 气；篮 l i t h o l o g y , w eh a v ef o u n dd r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ns i g n a l se f f e c t e db yd i f f e r e n td r i l l i n g p a r a m e t o r s ，g a i n e dt h ed o w n h o l ed r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o ns i g n a lf e a t u r e sw h e nb i tj u m p i n g ， s t i c k - s l i pa n dw h e nd r i l l i n gs a n d s t o n e , c l e a v i n gs t o n ea n dc o n g l o m e r a t e f i e l de x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a td i f f e r e n tc o n d i t i o nh a sd i f f e r e n t s i g n a l s ，c o m p l e x c o n d i t i o ne f f e c tl o w - f r e q u e n c ya n dd i f f e r e n tl a y e re f f e c th i g h - f r e q u e n c y d r i l l i n g s t r i n g v i b r a t i o ns i g n a l sc a nr e f l e c tw o r kc o n d i t i o no fd r i l l i n gt o o l s ，t h es t u d i e sa r eb e n e f i c i a lf o r r e c o g n i z i n gp r e m a t u r ef a i l u r e sa n dd e c r e a s i n gd r i l l i n gc o s tp r i c e k e yw o r d s ：d r i l l - s t r i n gv i b r a t i o n , d a t aa c q u i s i t i o no fs i g n a l s ，d o w n h o l eb e h a v i o r s ， s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s 妒 ； 基 、 名 目录 第一章绪论1 1 1 论文研究目的及意义。l 1 2 国内外钻具振动研究历史及进展3 1 2 1 国外对钻具振动的研究历史3 1 2 2 国内对钻具振动的研究进展8 1 3 论文的研究内容。j 9 第二章钻柱振动的模型及规律分析1 0 2 1 钻具的动力学方程。1 0 2 2 钻柱系统的纵向振动规律1 0 2 3 钻柱系统的横向振动规律1 2 2 4 钻柱系统的扭转振动规律k 1 3 第三章钻具振动信号分析方法研究j 1 5 3 1 测试信号的时域分析方法研究。：15 3 1 1 信号时域特征的获取方法1 5 3 1 2 信号与数据的拟合方法。1 7 3 2 测试信号的频域分析方法研究。18 3 2 1 频谱分析的作用1 8 3 2 2 傅里叶变换的应用l9 3 3 小波变换分析介绍2 2 3 3 1 常用小波函数介绍2 2 3 3 2 应用实例2 4 第四章钻具振动信号采集系统的研制2 6 4 1 钻具振动信号采集装置的研制2 6 4 1 1 采集系统的总体设计2 6 4 1 2 测振传感器2 7 4 1 3 电源模块- ! 3 0 4 1 4 卡箍的研制3l 4 1 5 现场安装测试j 3 2 4 2 钻具振动信号采集软件的研发3 4 4 2 i 软件设计3 4 4 2 2 功能介绍3 6 4 2 3 测试情况4 0 第五章钻具振动信号的应用分析4 2 5 1 现场试验4 2 5 1 1 高庙31 井试验情况4 2 5 1 2 新场2 6 井试验情况4 3 5 1 3 采样频率的确定4 5 5 2 钻具振动信号的数据分析4 7 5 2 1 钻井参数对钻具振动特征影响4 7 5 2 2 不同钻进形式下的钻具振动特征分析。5 6 5 2 3 复杂工况下的钻具振动特征分析6 l 5 2 4 不同地层岩性钻具振动信号分析6 9 j 吉论7 7 参考文献7 7 致谢8 2 珏岫 嘲- _ _ 蝴4 v 审 # 鎏 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究目的及意义 在钻井系统之中，钻具是进行钻进的主要部件，包括了钻头、下部钻具组合、钻杆 及扶正器等。在钻进时，钻柱带动着钻头旋转，钻头与地层作用，从而引起钻具振动。 钻柱振动是当前钻井工程中普遍存在的现象，它对钻井的影响很大，而且钻柱共振是 造成钻柱失效的主要原因。 钻柱的工作环境是充满钻井液的细长井眼，承受着拉、压、弯、扭及钻井液压力等 载荷的作用，运动和受力情况十分复杂。在钻进过程中，钻柱的钻进方式主要是旋转钻 进以及滑动钻进，同时也必然伴随着各种振动。钻柱的振动会给钻井工作带来不利的影 响，剧烈的钻柱振动是引起钻具失效的重要因素。因此，钻柱振动已经成为钻柱动力学 研究领域中的一个热点问题。 钻具的振动信号主要是指钻具本体的振动、钻头破碎地层时的振动以及钻柱摩擦井 壁产生的振动等综合振动信号，钻具的振动信号反应了钻柱的运动状态，一般来讲，钻 具的振动信号包含了非常复杂的井下信息。因此，钻具振动信号可以作为判断井下钻具 工作情况和井下机械故障的一种手段1 】【2 】。 在进行钻进作业时，按照钻具振动的方向可以将振动分成以下三类：纵向、横向和 扭向振动。这三种振动形式在地面观测时通常表现为：纵向振动表现为跳钻，横向振动 的表现是钻柱偏转，扭转振动造成的钻具粘滑现象【3 】【4 】。 钻柱的纵向振动原因是在钻进作业当中，钻柱受到井底、钻头旋转破岩以及井下钻 具组合的纵向反作用力的影响。由于井下钻具组合的纵向振动造成钻头与井底岩石分离 的现象称为跳钻。跳钻现象对钻进时使用的钻头、涡轮钻具和井下随钻测井仪器等都有 很强的破坏作用。跳钻现象在钻进作业时的表现一般是大钩负荷出现高幅度的起伏，还 伴随着钻速、扭矩发生改变。 钻头破碎岩石时所产生的钻具轴向交变力和横向位移以及钻柱绕井眼中心的涡动 都会造成钻具的横向振动。偏转是钻头或钻柱在偏离井眼的中心线转动的情况下出现的 偏转现象。在井场钻进时，如果出现高平均扭矩，同时大钩负荷也有较剧烈的变化，这 时就会出现偏转。偏转的结果：钻头产生高磨损率、井径扩大以及钻时变长。 钻头旋转破岩时转速的变化将会导致钻具的扭转振动。钻具产生扭转振动时的主要 特征是钻具的粘滑现象。当钻进时，钻具与井壁间会因为钻柱弯曲偏离中心位置出现粘 第一章绪论 滞产生摩阻，井下钻具因摩阻的存在旋转减慢，严重时会停止转动，使钻柱的旋转能量 加强。当某一时刻，钻柱的能量大于井壁与钻柱间的摩阻，钻柱就会释放，此时钻头和 钻具底部组合产生高速旋转并卸掉旋转能量。钻进时钻柱的粘滑现象将会使钻柱接头扭 矩增大以及钻头破碎岩石部件的损坏，由于粘滑的影响，钻杆螺纹还会产生变形，造成 脱扣、钻杆扭断等严重钻进事故的发生。 随着科学技术的发展，尤其是在传感器上的科技进步，以随钻测量为代表的测振技 术已经在国外的随钻测井技术中出现。这种技术在安装测量传感器时需要靠近钻头安 装，通过无线或有线传输把采集到的钻具振动信号送至井上计算机处理系统进行数据处 理。该钻具振动信号采集处理方法可以直接分析钻头在井下破碎岩石的情况、钻头磨损 和近钻头地层的岩性，但是由于钻进时井下存在诸如高温度、高压力、高冲击力等复杂 情况的影响，传感器的使用期限很低；工作状态也由于受到影响而不稳定；同时由于数 据输送距离过长，大量数据的传输速度也不快；测量成本过大，因此这种钻具振动信号 采集处理方法并没有得到大量的推广应用。 另外一种钻具测振技术思路就是通过将传感器安装在钻柱上端，通过地面测量钻柱 振动的信号对井下钻柱振动状态进行分析。这种方法对于传感器的工作环境来说，已经 大大降低了环境复杂性，延长了传感器的工作寿命，同时传感器的信号传输也变得简单 易行，测量仪器的制作成本也大大降低。对于现场应用来讲，这种地面测量方式将对钻 进作业的影响降低到了极低的程度，测量仪器也可以更方便地装卸，电源更换也方便。 这种地面测量方式近年才开始兴起，还处于研究阶段，未得到大量有效的应用。 对于钻具振动，国内的研究只是在研究理论及室内试验，一直没有得到有效地现场 研究进展。目前来说，钴具振动的研究已经构建起了纵向振动、横向振动和扭转振动的 振动简化模型，以及一些用来计量钻具固有频率的经验公式，急切需要进行现场的实际 应用研究。 因此，本论文就是通过对钻具振动机理的学习研究，开发钻具振动地面测量技术， 实现在实际钻进条件下实时采集分析钻具振动信号数据的目的，分析不同钻进情况时的 钻具振动信号，对钻具振动信号的现场应用做出有意义的研究。 钻具的实时井下工作信息，地层的岩性以及钻具的损坏情况等都可以通过钻具的振 动表现出来，钻具振动信号的分析有助于井下复杂情况的识别，优化钻具结构，对它的 研究及相关产品的研制有利于对陆上深井和超深井进行随钻监测井底情况和地层识别， 对作业费极其昂贵的海洋钻井也具有重大的意义。钻具振动信号研究为井底复杂情况预 2 一 j 岱 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 测提供了一个全新的信息通道，具有重大的学术价值。同时对钻具振动信号的地面测 量可以为现在流行的智能钻进提供一种有意义的探索。 1 2 国内外钻具振动研究历史及进展 1 2 1 国外对钻具振动的研究历史 国外发展起来的钻柱振动信号测量方法目前来说主要有： ( 1 ) 通过综合录井仪测量的各项钻进数据来描述钻具振动情况。 在现场钻进作业时，往往需要用到综合录井仪进行录井作业，综合录井仪采集的钻 进参数主要有：钻压、转速、大钩负荷、立管压力和扭矩等，综合录井仪采集的这些参 数在一定程度上可以用来描述钻具的振动状态【5 】 6 】。 比较具有代表性的技术成果是1 9 9 7 年，国际录井公司( i m e m m i o n a ll o g g i n g c o r p o r a t i o n ) 开发的钻具振动监测分析技术( d l sv i b r a ) 。用钻具应力波频谱分析方法对 钻具振动检测资料进行分析，来调整钻井参数，优化钻井过程。该技术由钻具振动数据 的采集和振动数据的分析监测两部分组成。监测软件系统使用快速傅里叶变换( f f t ) 完 成信号的处理，得出钻具的能量频谱图和振动幅度均方差图来反映钻具扭矩的变化情 况。然而，这项技术目前还是要以泵压、大钩负荷、转盘转速及扭矩等四类参数的监测 为基础，但是这四项参数在定向井、水平井中很难反映钻头破岩的真实状况，加之该测 量系统受传感器安装位置和传感器本身特性的限制，这种测量方法的测量精度、频率测 量范围还需要进一步完善。 ( 2 ) 利用m w d ( 随钻测量) 、l w d ( 随钻测井) 或f e w d ( 随钻地层评价) 进行井 下测量钻具振动。 ， 即是在钻头附近利用特殊钻具，装入测振传感器，通过电缆将振动信号传输到地面 进行处理，或者先将信号储存在井下装置内，在起下钻时对数据进行读取，通过井下实 时测量钻具纵向振动、横向振动和扭转振动，该测量系统可以采集到钻头附近真实有效 的振动信号。但是测振传感器受井下高压强、高温度的影响，工作寿命难以保证，测振 仪器制作成本高，对钻进工作影响较大，大量数据传输比较困难【7 】。 2 0 0 6 年哈里波顿公司研制成功一种新型实时井下扭转振动传感器，这种传感器的优 点是它在钻头处测量的旋转变化与通用的m w d l w d 传感器测量结果一致。通过分析 该传感器采集到的数据，可以监测钻头的速度，并判断旋转是否顺利或振动到什么程度。 通过验证，该传感器能够准确采集扭转振动信号，并通过使用脉冲传递实时数据，有助 3 第一章绪论 于对钻柱扭转振动的监测，有效的指导旋转导向作业。 ( 3 ) 使用测振传感器在地面监测钻具振动。 井下振动的地面监测可以减少钻进间断，是提高钻速的有效手段，钻具振动的地面 采集是把传感器安装在与钻柱有直接关系的地面钻进设备上，如水龙头、方钻杆短接等。 钻具振动信号通过连接线传输到电脑处理软件进行数据处理。由于钻柱能够很好地传导 钻具振动信号，因此井下钻具的纵向振动、横向振动以及扭向振动数据会通过钻柱实时、 快速地送至地面进行采集处理瑙j 。 这种测量方式对环境要求比较小，存在的主要问题是地面测量的振动信号的影响因 素较为复杂，数据分析处理方法需要进一步研究。 1 发射端； 2 接收端； 3 无线发射器； 4 无线接收器； 5 供电电池； 6 张力计； 7 扭矩计； 8 横向加速度器； 9 径向加速度器； 1 0 轴向加速度 器； 1 1 钻杆接头。 图1 - 1 a d a m si a p , k 3 测量接头 f i g 1 - 1 t h ea d a m sk a r k 3m e a s u r e m e n tj o i n t 国外有代表性的产品是e l f 公司的a d m sm a r k 3 振动测量接头，该装置结构如 图1 - 1 所示。该振动测量接头主要由传感器、测量电路、数据无线传输和供电系统四部 分组成。该振动测量接头在工作时，需要将其安装在顶部驱动系统的动力水龙头下端或 方钻杆的上部，采集钻柱的纵向和扭向振动信号，将信号传输至处理端进行数据处理， 从而反映钻柱的振动情况。 在理论研究方面，国外在钻具振动的分析方面起步较早。前苏联与欧洲在上世纪6 0 年代就开始通过测量钻具振动来分析井下岩性，后来研究重点转移到解决涡轮钻具的钻 井效率问题。进入2 0 世纪6 0 年代后，b a i l e y 和f i n n i e 初步研究了钻柱的轴向、扭转振 动，他们通过将井口异径接头与方钻杆连接在一起对钻具振动进行测量并且同时对钻具 4 lll ! 望至塑查堂! 兰奎! 堡主堂竺堡茎 振动的频率进行了研究【9 】。1 9 6 2 年，g a r r e t t 等在测量钻具的纵向振动时，将一个测量 加速度的单轴加速度计放在方钻杆接头上进行测量【1 0 1 。一年后，即1 9 6 3 年，p a s l a y 和 b o g y 对牙轮钻头牙齿与岩石之间存在的间歇作用做了进一步的研究，认识到钻柱的稳 定性等情况与钻柱本身的轴向振动和横向振动有着密切的关系【】。h u a n g 和d a r e i n g 在 进行钻具振动研究时，研究的重点转向了钻柱侧向弯曲振动的问题【1 2 1 。在1 9 7 5 年时， a m o c o 和m a r c 一起利用有限元分析的方法分析了底部钻具组合的动态行为b 】。 m i l l h e i m 和a p o s t a l 对钻柱和底部钻具组合的三维动态模型进行了研究工作【1 4 】。到1 9 8 0 年，k a t z 把钻头作为振源，进行了钻头定位以及轨迹跟踪的研究 1 5 】。 2 0 世纪8 0 年代后，b r a k e l 研究了在钻柱和钻头动态行为条件下预测井眼轨迹的问 题【1 6 】。m i t c h e l l 和a l l e n 提出钻柱的横向振动是导致底部钻具组合故障的主要原斟1 7 1 。 1 9 8 5 年，w o l f 发现可以利用井下的硬连接接头来对钻具振动进行监测 1 8 】。b e s a i s o w 等 人研究了钻具振动的原理，认为钻具振动信号可以通过钻具顶部获得，并且其信号能够 反映井下钻具的振动状态【1 9 1 。在这以后，a p o s t a l 、h a d u c h 和w i l l i a m s 对受迫频率响应 f f r ( f o r c e df r e q u e n c yr e s p o n s e ) 动态分析模型进行了研究发展，他们考虑了钻进过程中 阻尼对该模型的影响。d u f e y t e 和r a p p o l d 等人研究了钻头粘卡现象对钻具振动的影响。 近年来，随钻测井及随钻录井技术不断向前发展，新型的测振传感器不断涌现，使 井下测量技术也不断更新。这些测量技术和仪器的更新换代可以更好地获取井下钻具振 动信号，提高测振仪器的可靠程度和耐久程度【2 0 1 。 1 9 9 8 年，m a c p h e r s o n 测量了钻进时地面和井下的纵向加速度信号，并给出了两种 信号的图谱【2 1 】( 如图1 2 所示) 。从图中对比，两种测量方式得到的钻具纵向振动信号 波形相似，仅在振幅上有所不同，因此钻具的振动情况能够通过地面测量的信号直观显 示出来。 图l - 2 地面和井下的测量的纵向加速度图 f i g 1 - 2 l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nm e a s u r e ds u r f a c ea n du n d e r g r o u n d 第一章绪论 2 0 0 3 年，d r t e n n y s o n 和j e r o m e 对特立尼达和多巴哥东海岸的两口井做了扭转振动 的测试分析，他们利用传感器测量传递井下钻柱扭转振动信号，对扭转振动进行测量与 控制，然后用傅立叶变换频谱分析，将扭转振动信号分解成重复循环波，并确定了各自 的频率，通过测定的频率信号对钻井参数进行调整，从而降低扭转振动，试验分析效果 如图1 3 、l _ 4 所示，通过对实验结果的分析，降低扭转振动可以降低钻柱损失，减少钻 头损坏，延长钻头寿命，从而减少起下钻次数，缩短钻井施工周期，具有较好的经济价 值 2 2 】。 o2 0 钧6 o8 01 0 o1 2 o 图l - 3 特立尼达和多巴哥东海岸井1 的扭转振动图 图1 _ 4 特立尼达和多巴哥东海岸井2 的扭转振动图 f i g 1 - 4w e bt w ot o r s i o n a l 、，i b r a f i o no rt h ee a s t a s to ft r i n m a da n dt o b a g o 同样，a j m a n s u r e 等人在2 0 0 3 年对随钻测井数据进行解释时，分析了钻柱在共振 状态下纵向、横向及扭转振动规律。他们也是利用傅立叶变换对三种振动信号进行了处 理，分别得到了各自的共振频率，并设计了计算软件，其软件界面如图1 5 ，在图中， 可以看到他们做出的三向振动频谱散点图，但是此次频谱分析的频率只有1 5 0 h z 。 6 孽8 7 6 5 毒3 2 ，o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 脚d “口。一b m “ j 。一：一j 磷磷甍蕊舞l 一慨。9 鎏2 璧。 5 s 4 0 04 0 0 ：壹湖 童糊 ：量脚 毫 葛湘 1 啪 o j 0 乞附二h 二j _ 6 一t ：o 屯矗二，- g 协 ! - - 。巴t 一，、k 屯，一九一 ，- 。，气 01 02 03 04 05 06 07 0 1 0 01 1 01 2 01 1 4 0 储 o 一 一一一一。 f r e q m m w o1 0 2 0 3 04 0 6 07 0 8 0 g o1 0 01 1 01 2 0 1 4 0l f l ；fn啊uwy 一一 一一 一一一 ! 咄 7 0 0 0 0 0 a t m o o o l 4 0 0 5 0 0 0 0 0 懑锄 ：童4 0 0 0 0 0 - 誊 i 鼍潮 熏j m o o o o 2 d 口嘲 蜘 咖 一、一 二t 囊t k _ _ - - l 气鲁_ k _ 捧止 啦- 一。白矗_ l q l柚棚，：m ：1 1 。 1 俦 o1 02 0 舯7 0 帅1 0 01 1 0 1 2 0 1 3 01 4 01 5 f “_ 扣瑚骘r 图1 - 5a j m k n s t t r e 设计的软件界面 f i g 1 - 5 s o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g n e db ya 。j m a n s u r e 2 0 0 5 年，s c h e n 等人设计了一个可以直接安装在钻头上的结构简单、使用方便且具 有存储功能的微型振动测量仪，该微型测振仪可以不受底部钻具组合挠动的干扰，但在 读取测得的钻具振动数据时，必须将仪器起出地面才能对数据进行读取，在定程度上 影响了钻进速度 2 3 1 。 图l 一6 微型振动测量工具 f i g 1 6 m i n i a t u r ev i b r a t i o nm e a s u r i n gt o o l 2 0 0 6 年，s j o h n s o n 在美国怀俄明州研究p d c 钻头的涡动现象时指出，钻头的涡动 影响了钻具的横向振动稳定性，涡动会造成钻头的过早疲劳损坏，还会使井下钻具组合 失效。在研究降低钻头涡动的措施的过程中，j o h n s o n 通过采集钻柱的横向振动加速度 值来反映钻具的横向运动情况，如图1 7 所示，图中，横坐标代表时间，纵坐标代表加 7 第一章绪论 速度值【矧。 1 2 2 国内对钻具振动的研究进展 国内的许多学者对底部钻具组合( b h a ) 的振动问题进行了大量研究，虽然取得了很 多成果，但该系列的研究主要是通过建立理想的模型和理论计算得到的，与实际应用有 很大差别。 高岩、郭学增教授在对牙轮钻头钻进作业进行钻具的运动分析时，重点研究了牙轮 钻头破岩时的振动特征，在研究的过程中他们把牙轮钻头振动按频率的大小分为了三个 研究区段 2 5 】【2 6 1 ，并分析了各个区段振动的主要应用，即低中频主要用于判断钻具的工作 状态，高频可以用于分析钻进的地层岩性信息。2 0 0 0 年刘志国和郭学增老师在进行应力 波分离和处理研究时，将钻柱纵向振动的固有频率作为分析重点进行了成功的钻具振动 信号处理【2 7 】。 测振仪器方面，国内典型代表是中国石油大学( 北京) 郭学增教授、高岩教授等研 制的钻柱振动信号采集系统，该系统将采集到的振动信号使用无线输送的方式传送到计 算机系统后进行处理分析，高岩关注2 k h z 1 0 k h z 的钻柱振动频率，主要用于岩性与 含油气性的识别2 8 1 ，但该技术还不成熟，有待进一步研究，但提出的钻柱振动的传感装 置和信号无线传送方式是值得肯定的。 在对钻具振动信号进行应用方面，随钻地震可以利用钻头破碎岩石产生的振动作为 井下震源，得到钻头前方几十米处的信息，随钻评价在钻与待钻地层，实时修正地质预 测模型并获知钻头的实时位置和相对位置。随钻垂直地震剖面测井技术与随钻地震技术 原理相同，它是在井中钻柱的适当位置安放震源，然后在井e l 搜集信息。这项技术在我 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 国应用较多，也较成熟。西安石油大学的张绍槐教授在随钻v s p ( 垂直地震剖面法) 方 面取得了一定的成果【2 9 1 。 图l - 8 随钻数据采集、处理、应用示意图 f i g 1 - 8s e i s m i cd a t aa c q u i r e d ，p r o c e s s e da n da p p l i e dw h i l ed r i l l i n g 1 3 论文的研究内容 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 探讨钻具振动的力学模型及振动规律，分析钻柱在纵向、横向以及扭向 上的振动，为钻具振动信号的应用提供理论支持。 ( 2 ) 设计可行的地面采集钻具振动信号的方法，研制钻具振动信号采集处理 硬件系统，并对信号采集系统进行测试试验。 ( 3 ) 开发对钻具振动信号进行分析处理的不同算法，主要分为时域、频域两 部分，并进行不同方法之间的比较分析。 ( 4 ) 编制钻具振动信号处理软件，进行实时测试试验，同时对采集到的数据 进行实时处理分析试验。 ( 5 ) 通过现场实时采集钻具振动数据，进行钻具振动信号应用试验，研究振 动信号在钻进时的具体应用。 9 第二章钻柱振动的模型及规律分析 第二章钻柱振动的模型及规律分析 2 1 钻具的动力学方程 钻柱在井下受到多种载荷的作用。在不同的工作状态下，不同部位的钻柱受力的情 况是不同的。在分析钻具振动时，通过对钻柱进行离散化处理，将能得到钻柱运动方程， 如下式 3 0 】： m 。d ”。0 ) + c 8 d 。( f ) + k 。d 。( f ) = r 8o ) ( 2 - 1 ) 式中，m 。为单元质量矩阵；c 8 为单元阻尼矩阵；k 8 为单元刚度矩阵；r 8 为等效 结点力；d 。( f ) 为单元结点位移；d 。( f ) 为单元结点速度；d ”。( f ) 为单元结点加速度。 建立钻柱的坐标系，钻柱的刚度矩阵为： k 。= k e 。+ k o 。 ( 2 2 ) 式中， k e 。为单元弹性刚度矩阵；磁。为单元几何刚度矩阵。 在钻进时，可以将钻柱与井壁之间的摩擦力和泥浆的粘滞力等因素作为比例阻尼， 即： c 。= a m 8 + b k 。 ( 2 3 ) 于是，钻柱系统的动力学方程为： m d e ( f ) + c ( f ) d 。( f ) + g ( o d 。( f ) = r ( t )( 2 - 4 ) iii 扭转振动纵向振动横向振动 图2 - 1 钻柱振动的三种形式 f i g 2 - 1 t h et h r e ed i f f e r e n tf o r m so ft h ed r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o n 2 2 钻柱系统的纵向振动规律 在钻井作业中，井底的不平整、牙轮钻头的牙齿间隔接触井底以及钻头破岩过程中 受到的不稳定纵向反作用力都会给钻柱施加激励力，从而引起钻柱的纵向振动。纵向振 1 0 吣 _ - 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 动在整个钻井作业中都会存在。其振动模型如图2 2 ，纵向振动的微分方程可以从以下 公式得出： 图2 - 2 纵向振动模型 f i g 2 - 2l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nm o d e l p a ( 蛐窘= 罢出+ p g a ( x ) d x ( 2 - 5 ) ；e