（油气井工程专业论文）钻具振动信号的研究与应用.pdf

s t u d ya n da p p l i c a t i o no 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 s l i a n gh o n g w e i ( 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 na n da s s o c i a t ep r o f l ic h u n s h a n a b s t r a c t 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 li sav e r ym u l t i f o r ma n dc o m p l e xw a v e ，w h i c hc o n t a i n s t h r e ek i n d s ，t h ev i b r a t i o no ft h ed r i l l i n gs t r i n gb yi t s e l f , t h ev i b r a t i o ns t i m u l a t e db yt h e i 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 ev 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 e t h ev i b r a t i o nw a v e sc a nr e v e a lt h er e a l t i m ei n f o r m a t i o nf o rd o w n h o l ed r i l l i n g s t u d y i n gt h em e t h o do fm e a s u r e m e n ta n dd a t ap r o c e s s i n go ft h ed r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o n s i g n a l sc a ni d e n t i f yt h ed o w n h o l ew o r k i n gs t a t u sa n do p t i m i z et h ew e l ld r i l l i n gp a r a m e t e r s o n l i n e i ti sn o to n l yv e r yh e l p f u lf o rp r e v e n t i o no fd r i l ls t r i n ga n db i te a r l yd a m a g e ，b u ta l s o f o rp r e v e n t i o no fs t i c k i n ga n dt h ed r i l lb i ta c c i d e n t m o r eo v e li th a si m p o r t a n tv a l u ef o r r a i s i n gd r i l l i n gs p e e da n dr e d u c i n gd r i l l i n gc o s t i nt h i sp a p e r ，d 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 mw a sd i s c u s s e d ，t h et r a n s m i s s i o nr u l e s o ft h ev i b r a t i o nw a v ei nd r i l lp i p ew e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no f v a r i o u so v e r s e a sm e a s u r e m e n t so fv i b r a t i o n ，aw i r e l e s sm e a s u r i n gd e v i c ef o rd r i l l i n gv i b r a t i o n w a sd e s i g n e d ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wv o l t a g e ，l o wp o w e ra n da n t i n o i s e t h i sd e v i c ec a nr e a l i z et h er e a lt i m em e a s u r e m e n to fa x i a lv i b r a t i o na n dt o r s i o n a lv i b r a t i o na t t h es u r f a c e f u r t h e rm o r e ，p r o c e s sm e t h o do fd 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 sw h i c hi n c l u d e s t h es i g n a l sc h a r a c t e r i s t i cv a l u e ，s p e c t r a la n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nw a sd i s c u s s e d t h e d r i l l i n gs t r i n g v i b r a t i o n s i g n a l sp r o c e s s i n g s o f t w a r ew a sa l s o d e s i g n e ds u c c e s s f u l l y c o m p r e h e n s i v ei n d o o ra n df i e l dt e s t ss h o wt h a t d r i l lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n td e v i c ec a n a c h i e v er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o nw i t h2 5 0m e t e r se f f e c t i v ed a t at r a n s m i s s i o nd i s t a n c e d r i l l i n gs t r i n gp r o c e s s i n gs o f t w a r ec a nr e a l - t i m eg a t h e ra n da n a l y s i sp r o c e s sv i b r a t i o nd a t a ， w h i c hi sv e r yu s e f u lo p e r a t i n gm o d ea n a l y s i sf o ra n dl i t h o l o g i ci d e n t i f i c a t i o n 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 ，m e a s u r e m e n t ，a n a l y s i s ，s t u d y , a p p l i c a t i o n l l1 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己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： 日期：2 助铲年歹月船日 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。 学位论文作者虢鎏鏖聋 指导教师躲胡筠夏 日期：2 m 彦年j - 月2 孑同 日期：2 p 年少月2 p 同 中罔石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 论文的研究目的与意义 钻具振动信号是一种十分丰富、非常复杂的振动波，它包含着钻具自身的振动、钻 头与地层相互作用所激发的振动、钻柱与井壁相互碰撞引起的振动。它能够实时地反映 井下的工况。振动是运动机械以及所承受动态载荷的工程结构所具有的特征，振动信号 中包含着机械及结构的内在特性和运行状况。因此，对钻具振动信号的实时监测和分析 可以识别其工作状态和可能产生的机械故障【1 】【2 1 。 室内实验资料表明，不同岩性的岩石在发生破碎时，均会获得一个或多个与岩性相 关的主频。不同的岩性，表征出的主频分布明显也不刚引。因此，利用钻具振动信号的 监测和分析也可以用于对井下所钻岩性识别分析。 钻具振动的形式主要分为三种，纵向振动、横向振动和扭转振动。反映到地面上通 常表现为：钻头跳动( b i tb o u n c i n g ) 、偏转( w h i r l ) 和粘滑( s t i c k s l i p ) 【4 j 5 1 。 钻头跳动是由于井底钻柱的纵向振动而造成的钻头与地层瞬间脱离接触的现象。这 种跳动对钻头、井下涡轮钻具和m w d 等井下工具都有破坏作用。其表现形式为大钩负 荷出现高振幅的振动，钻速和扭矩也会有较明显的变化。 偏转是当钻头和b h a 的任何部分偏离井眼的中心线转动时，钻头或b h a 出现的偏 转。偏转常出现在高平均扭矩时期，并与大钩负荷较高的变化相一致。其结果会导致钻 头的高磨损率、井径扩大和钻速降低。 粘滑是扭转振动的重要表现形式。当井下钻具弯曲、偏离中心位置时与井壁间出现 “粘滑”产生摩阻，从而导致井下钻具旋转减缓甚至停止，使得钻柱的旋转能量在钻柱 中逐渐积累。当在钻柱中积累的扭转力足够克服井壁与钻具问的摩阻时，产生“释放” 现象，此时钻头和钻具下部组合b h a 以高速旋转释放能量。持续的粘滑能引起管串接 头间的超扭矩和钻头切割部件的疲劳损坏。另外，b h a 扭转振动能伴随b h a 旋转加速， 产生弯曲重压，最终引起脱扣，从而导致钻具由薄弱环节脱落井落、刺穿甚至于扭断。 随着国外m w d l w d 的出现，随钻测量已经成为可能【6 1 - 【】。将振动测量传感器固 定在m w d l w d 内安装在钻头附近，再利用无线或有线方式将振动信号传输到地面进 行处理分析。这种方法虽然可以直接测量钻头或钻具的振动信号，了解钻头在井底的工 第一章前言 作状况、磨损情况、所钻地层岩性，但由于井下条件恶劣、环境复杂，如高温、高压和 高冲击等对测振装置的寿命及可靠性影响很大，加之数据传输的比较困难，资金成本等 因素，随钻测量技术目前还没有在石油钻探领域普遍应用。 作为重要钻井参数的振动信号，在国内一直没有得到有效利用，仅限于理论性的研 究和室内的实验，构建纵向振动、横向振动和扭转振动力学模型，估算振动模态的固有 频率，防止共振现象发生。 随着低压、低功耗电子器件的出现和无线电技术的发展，钻具振动信号的实时、高 效、无线传输成为可能。本论文主要是利用现有技术研制无线钻具振动测量装置，实现 钻具纵向和扭转振动信号的地面实时测量，并探讨振动信号的处理方法，编写钻具振动 信号处理软件。 系统地研究钻具振动信号，进行钻具振动信号分析，有助于实时提取井下工况信息， 进行所钻地层的工况识别和岩性分析，有利于重新设计钻头和井下钻具组合结构，优化 钻井参数，有效地防止钻具事故及由振动引起的钻井异常现象的发生，延长钻柱和井下 钻具组合的使用寿命，有利于缩短钻井工期，节约钻探成本。 1 2 钻具振动国内外研究现状 1 2 1 国外研究状况 钻井过程中，钻具振动通常与钻具及其组成部分的动力学特性有关。在研究钻具振 动理论同时人们已经开始了振动测量工具的研究。 1 9 6 0 年，f i n n i e 等人【1 2 1 在钻柱振动的试验研究一文中用一个井1 2 1 异径接头与 仪表化的方钻杆连接在一起测量振动，在试验和理论上对钻柱纵向和扭转振动问题进行 了初步研究，并给出了简单的钻柱振动模型，并在试验分析基础上确定钻柱的固有频率。 1 9 6 2 年，g a r r e t t 等人【1 3 1 在井下减震器对钻头改进性能作用一文中用一个单轴 加速度计放在方钻杆接头上测量纵向振动。 1 9 6 8 年，d e i l y 等人在钻柱作用力和运动的井下测量一文中提供了一个带仪 表的可以放在钻柱的任何位置( 地面或井下) 的接头，利用计算机求解钻柱纵向和扭向的 振动问题，并给出了一个完整的钻头一钻机动态模型，其中包括吊悬系统的刚度及质量， 由于考虑的因素太多，求解过程很复杂。 1 9 7 1 年，l u t z 等人1 5 1 在钻井的动态理论和瞬时记录描述了井口接头放在仪表 化的传动钻杆上测量振动，并采用滑环传送监测数据进行分析；同时介绍了法国e l f 2 中国彳i 油大学( 华东) 硕十学位论文 a q u i t a i n e 开发的称为瞬态录井( s n a pl o g ) 的技术产品，对提供地层信息起到了一定的作 用，但当时由于无法解释和避免钻柱系统自身的动态行为产生的干扰，使其产品缺乏可 信度。 1 9 7 8 年，d e n i s o n 等人【1 6 1 在高速率的井口钻井遥测技术一文中描述了遥测技术 在测量钻具振动中的应用。 1 9 8 5 年，w b l f 等人在井底钻具振动的现场测量一文中描述了利用井下的硬 连接接头来测量钻具振动方法。b e s a i s o w 等人在利用高频率井口测量系统测量各 种钻井现象一文中介绍了1 9 8 4 年他们公司开发的”高级钻具分析与测量系统” a d a m s ( a d v a n c e dd r i l ls t r i n ga n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e m ) ，并论述了振动信号可 以通过钻具顶部获得，而且其信号可真实反映井下钻具行为，并讨论了钻具振动产生的 机理。与此同时，以优化破岩机理为目的，法国的e l f a q u i t a i n e 公司又在钻具动力学的 理论和技术上取得了进一步的研究成果，1 9 8 6 年，该公司专门成立了研究小组，并于 19 8 8 年研制出“钻进动态控制装置”d d c u ( d r i l l i n gd y n a m i c sc o n t r o lu n i t ) 1 9 1 。 近年来，随着m w d l w d 的出现与发展以及新型传感器的出现，使井下测量振动 成为可能【1 7 】【2 0 】【2 1 1 。井下动力学测量的发展【2 2 】【2 3 】有助于获取数据去改善m w d 的可靠 性和耐久性。 1 9 8 8 年，c l o s e 等人【6 】在利用m w d 技术测量b h a 振动一文中描述了井下可 存储数据的接头，用来存储井下测量的数据。 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 gc o r p o r a t i o n ) 1 3 1 开发了独具特色的 d l sv i b r a 钻具振动分析软件包，专门用以检测钻具的扭转振动强度并进行分析预报， 并成功地实现了商业化推广。 3 第口 d l s v i b r a 软件包由两个软件组成：振动数据采集软件( 如图i 所不) 和分析 图i - i 钻具振动采集软件 f i 9 1 - 1t h e g a t h e r i n gs o f t w a r e o f d r i l l i n g v i b r a t i o n 。d l s v i b ，r a c l i e n t1 ：二? 之二：? ：j ? ：= = _ 誓： z ：c = = = j = z e z = z 口i z t z j = = 口e j 一一。j - ，+ ，i 一、，圜 二圈 田。 、 t = = e z ，i _ l _ 一= z = j = j _ _ _ _ _ _ - 图i - 2 钻具振动分析软件 f i 9 1 - 2 t h ea n a j ，s bs o f t w a r e o f d r i l l i n gv i b r a t i o n 监测软什( 如图l 一2 所示) 。采集软件可以最快l o h z 的频率采集四类参数：泵三、大钩 负荷、转盘转述及柑矩并将其传节分析监测软件。分析峨测软件可以装在仪器房内，也 “r 以装在后方办公审，通过叫络传输数掘进行扣矩振动的实时监测分析。 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 d l sv i b r a 的分析软件使用复杂的快速傅立叶变换对扭矩信号进行频率分析，分 析的结果以能谱图的方式实时检测扭矩信号的正弦变化并用能谱图和均方根表显示出 来，使得操作人员对扭矩变化一目了然。在实时监测状态下，这个软件还能够回放数据 库中数据，查看并打印出感兴趣井段的曲线。 19 9 8 年4 月，h e i s i g 等人【2 4 】写的钻进动态数据的井下诊断为司钻提供新水平的 钻进过程控制一文中描述了在俄克拉荷马州的贝克实验基地( b e t a ) 测试了最早的 井下振动测量工具，并利用振动数据来判断振动状态，用来进行振动控制。如图1 3 所 示是井下出现钻头跳动时的情况。 图1 3 钻头跳动的监测 f i g1 - 3t h ed e t e c t i o no fb i tb o u n c e 1 9 9 8 年，m a c p h e r s o n 等人【2 5 1 在近钻头测量和地面测量的应用与分析一文中给 出了地面和井下的测量的纵向加速度振幅图( 如图1 4 所示) 。从图上可以看出，地面 测量的纵向加速度与井下的加速度，除了衰减外，波形基本相同。可以利用地面的振动 测量监测井下的钻具振动信息。 5 第一章前言 利用地面和井下测量振动的方法 对井下b h a 和钻头振动加速度、固有 频率成功进行预测，利用井下应力和 位移判定振动状态。表1 1 给出了钻 进时某个时刻的固有频率预测值与观 测值的比较。从表里的数据以看出， 除了前两个不一致之外，所有的其它 模型均能很好的相互吻合。若是自由 上界与下界给定了，那么第一种模型 中的固有频率预测值为1 6 h z ，与观测 值极其接近。这种预测值与观测值 之间的差异一方面是由非线性的 测量系统引起，另一方面是由频率 的变化引发边界条件的变化引起 的。图1 5 是用轴向加速度计两次 积分得到某时间段的纵向位移， 4 7 s 时为最小位移，5 m m 为门限位 移。图1 6 为利用动态纵向载荷测 频草，h 2 图1 _ 4 地面和井下的测量的纵向加速度振幅图 f i gl - 4t h ea m p l i t u d eo fa x i a la c c e l e r a t i o n b o t ho ns u r f a c ea n dd o w n h o l e 量的门限检测同一时间段钻头跳 动。当超过了上限或是下限时将预 f i g1 - 5 时问1 图1 - 5 钻进时m 3 v d 纵向位移 t h ea x i a ld i s p l a c e m e n to fm w d d u r i n gd r i l l i n g 示着跳钻的发生。显示跳钻发生在9 0 1 1 2 r m i n 段内。与图1 5 一致。 2 0 0 5 年，s c h e n 等人在利用新的微型振动测量工具进行钻头钻进性能的优化 一文中描述了一个结构简单、使用方便、具有存储功能的微型振动测井仪工具( 如图1 7 所示) ，它直接放在钻头上，避免了b h a 挠动，可直接在起下钻时读取与钻头有关的振 动数据：机械钻速、均方根、最大横向加速度、向心加速度，用来进行钻头选择、设计。 6 2 0 0 6 年哈n 仙顿的c h c n 等人【7 i 在利用片f 实叫扭转振动数掘改进井下钻具r 袭1 - 1 纵向振动同有频率预测值与观测值的比较袁 t a b l e l lt h ec 。m p a r i s o f to fp r e d i c t iv ea n do b s e r v e dv a l u e o fa x i a lv i b r a t i o nn a t u r a lf r e q u e n c y 模式顾剥值( h z )观测值( h 曲 2 58 3 9 6 54 95 88 40 99 49 1 0l ( 1 651 0 63 能和钻头设计一文中指i h 扭转振动，尤其足高频率的扭转振动，是造成旋转导向部件 严莺损坏的原因，要有效地利用扭转振动数据进行改进井下钻具性能和钻头的设计。 另外，加拿大d a t a l o g 公司0 2 7 j 在钻具振动机理分析的基础上，研制开发出了d a t a l o g 一 图i 石利用动卷纵向载荷测量的门限检测钻头跳动 f i g1 - 6 b i tb o u n c ed e t e c t i o nw i t ht h r e s h o l d sp h c e d o u t h e d y n a m i ca x m l l o a d i l l e a s t l r e i n e d | 图1 1 镊型振动测量t 具 f i 9 1 - 7m i n i t y p e v i b r a t i o n m e a s u r i n g t o o l 秭泔分析软件说明了振动总是以定程度存在在复杂钻j 状态中，振动造成的负面 影响尤为严重，它是引起钻头和铀旦故障的土要凼素。 一眦帅j一 lj川w。 一 一【洲j 一 一忆川叫习一 一j洲 一 一州一 一 j川 一一娜一 一 川j f 一 一 洲洲一一”一 第一章前言 1 2 2 国内研究状况 国内研究钻具振动信号的学者比较少，尤其是在振动测量方法上的研究，他们主要 研究了模型固有频率的计算，防止钻具产生共振【2 7 】。【3 2 】。中国石油大学( 北京) 高岩副 教授、郭学增教授在钻具振动检测与分析方面开展了颇有成效的研究，于1 9 9 7 年研制 出钻柱振动信号采集卡箍，在1 9 9 9 年5 月申报了国家专利，用于固定振动测量传感器 3 3 1 o 1 9 9 8 年高岩副教授、郭学增教授在钻柱振动信号采集系统及谱分析一文3 4 1 总 结出三牙轮钻头的工作特征，即三牙轮钻头条件下钻柱纵向振动的规律和波谱特征，把 振动信号按分析频率分为低频段、中频段和高频段。 低频段( 0 - 2 5h z ) 主要反映了三牙轮钻头由于三脊状井底引起的1xi 冲m 、2 r p m 和3 r p m 及其谐波。合理调整钻进参数，可以避免钻柱的共振现象。 中频段( 2 5 - - 2 0 0h z ) 主要反映三牙轮钻头牙齿与地层作用时产生的振动频率成份。 为正确判断三牙轮工作状态提供了依据。 高频段( 2 0 0 - 1 0k h z ) 主要为不同地层与钻柱作用时产生的声波“噪声 ，它能反映 出地层的变化，从而为地层分层提供信息。 进入二十一世纪后，刘志国博士和郭学增教授在钻具振动检测与分析研究上又取得 一定的进展，2 0 0 0 年他们在钻柱纵向振动固有频率的计算和测量一文【3 5 】中在应力 波分离和处理方面，对三种干扰因素( 井深的变化、井眼尺寸的不同和钻井参数的变化) 等进行能量归一化处理，并采用了人工神经网络技术进行编程处理，分析钻柱纵向振动 的固有频率。 另外，西安石油大学的张绍槐教授在随钻v s p 方面取得了一定的成果【3 6 1 。 1 2 3 目前存在的主要问题 钻具的振动已经引起人们的普遍重视，但是在国内对钻具振动信号的研究还处于起 步阶段，仍存在许多问题： ( 1 ) 井下振动的测量距离钻头还有一定的距离，会产生振动信号传输的衰减， 信噪比等问题，至今还没有真正实现钻头振动的测量，钻头振动测量还值得进一步 的研究。同时，现在井下的“实时 检测振动，在数据传输的可靠性上还值得研究。 ( 2 ) 钻具振动的综合规律还没有真正掌握，钻具振动信号的有效应用，如工况 分析和岩性识别，如何进行钻井优化还要进一步地研究。 8 中国石油大学( 华东) 矽! j j 学位论文 1 3 论文的研究内容 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 探讨钻具振动的产生机理，理论分析振动波在钻杆中的传递规律，为钻具 振动信号地面测量技术提供理论基础。 ( 2 ) 总结对比现有的钻具振动的测量方法，优选出可行的钻具振动测量方法， 研制一个钻具振动测量系统，并进行振动台激振测量校定，确保振动测量系统的数 据传输可靠性。 ( 3 ) 研究钻具振动信号分析方法，其中包括：振动信号的特征值、频谱分析( 傅 里叶变换和b u r g 估计) 和小波变换等数学分析方法，设计其相关的处理算法和基本 应用。 ( 4 ) 开发基于m a t l a b 、v i s u a lc + + n e t 和a c c e s s2 0 0 3 的钻具振动信号处理软 件，并进行测试分析，以确保实时的数据采集和分析的真实性和可靠性。 ( 5 ) 利用研制的钻具振动信号测量装置和处理软件，进行实内和现场应用试验， 研究振动信号的具体应用。 9 第二章钻只振动的产生机理与传递规律 第二章钻具振动的产生机理与传递规律 2 1 钻具振动的产生机理 ( 1 ) 钻具纵向振动产生原因及特征 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具施加激励力，从而引起钻具的纵向振动。平和的 纵向振动表现为钻头接触井底的垂直振动，振幅比较小，振动频率也比较小，但是当激 励源的频率与钻柱的某一阶的固有频率相近时，钻具就会产生共振现象，致使钻头瞬间 脱离井底，引起钻头在井底的弹跳。共振的产生使得钻具原有的纵向振动加剧，强大的 冲击载荷加速了钻具的疲劳过程，导致钻头、井下涡轮钻具以及m w d 等井下工具提前 破坏。其表现形式为大钩负荷出现高振幅的振动，钻速和扭矩也会有较明显的变化。另 外，可钻性差的致密地层、硬质研磨岩性、直井以及牙轮钻头都能使纵向振动加剧。 ( 2 ) 钻具横向振动产生原因及特征 横向振动主要表现是偏转。钻具产生偏转的原因与钻头结构、地层特性、井眼条件 和钻进参数有关，相同条件下p d c 钻头比牙轮钻头易产生偏转。钻具在转动过程中， 当钻头或b h a 钻具的任何部分偏离井眼的中心线转动时，就出现钻头或钻具的偏转。 一旦偏转开始，就会有很大的离心力，使接触点处产生摩擦力来维持偏转。钻具偏转会 导致钻具在高频率下的交变应力，最终产生疲劳破坏。 通常情况下，钻具偏转的轨迹是不稳定的，钻杆接头或扶正器并不总是与井壁保持 接触，而是不断地敲击井壁，它的瞬时旋转中心不断地变化，造成钻头切削齿可能横向 甚至向后切削井底岩石，从而引起p d c 钻头复合片剥落，缩短了钻头的寿命。同时， 钻具的偏转也会造成井径扩大和钻速降低。 ( 3 ) 钻具扭转振动产生原因及特征 在钻进过程中，由于钻柱的弯曲和井壁的不规则，钻柱与井壁之间不断产生摩擦和 碰撞，钻头破碎岩石时受到反作用力大小的也不断发生周期性的变化，从而导致了钻具 的扭转振动。钻具粘滑是扭转振动的表现形式船7 。在转动过程中，由于钻具的公转或偏 转，外径较大的接头或弯曲钻具会不断地敲击井壁产生“碰摩现象，从而产生较大的 摩阻，导致井下钻具旋转减缓甚至瞬间的停止，使得钻柱的旋转能量在钻柱中逐渐积累， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 当在钻柱中积累的扭转力足够克服井壁与钻具间的摩阻时，瞬间产生“释放”现象，此 时钻头和钻具以高速旋转释放能量。严重的粘滑会造成卡点以上附近钻具超扭矩，导致 钻具内部的永久变形，持续的粘滑可能引起钻具的疲劳破坏。当能量释放时，钻头产生 高速转动致使钻头切割部件的损坏。另外，b h a 扭转振动能伴随b h a 旋转加速，产生 严重的交变应力，从而导致钻具由薄弱环节脱落井底、刺穿甚至于扭断。当钻具中有较 大尺寸的扶正器时，经常出现钻具损坏的现象，正是粘滑造成的后果。当发生较为严重 的粘滑现象时，表现出扭矩的大幅波动，并伴随转盘转速的不稳定和角加速度剧烈变化。 钻具的扭转振动、纵向振动和横向振动虽然各有区别，但又是相互联系的。通常， 每一种振动的产生，常常会伴随着其它两种形式的振动，每一种振动后者都比前者要严 重和更具破坏性。 2 2 振动波在钻杆中传递的一般规律 钻柱作为一根旋转着的细长弹性杆件，讨论 振动波在弹性杆中传递规律具有重要的实用意 义。 2 2 1 钻杆中纵向振动波的传递 为讨论方便，假设： ( 1 ) 钻杆为一弹性杆，纵向取为x 轴； ( 2 ) 钻杆的横截面在变形时仍保持为平面。 如图2 1 所示，杆上坐标为x 处的截面积为 s ，与它相距出处的截面积为s ，杆在受到沿x 轴方向的外力作用时各截面将发生位移，其位移 是x 的函数。让我们讨论s 和s 之间的一段弹性 杆在外力作用下的波动规律。 x ， - 图2 - 1 振动波在钻杆中的传递 f i g2 - 1 t h ep r o p a g a t i o ni nt h ed r i l l p i p eo fv i b r a t i o nw a v e s 设x 处s 发生位移为u ( x ) ，与s 相距d x 处截面积s 也将发生位移，其大小为 u 】( x ) = “( x + d x ) ，将甜l ( x ) 在工点按泰勒级数展开得 姒垆m ) + 罢出+ 上21 堕3 x 2 出+ j 11 苏0 3 u ，d x + ( 2 - 1 ) 略去二阶以上的高次项得 1 1 第_ 二肇钻具撒幼的产生机理与传递规律 秘1 ( x ) = h i ( x ) + o ud x “ 设x 轴方向的线赢变为g ，按定义有 z f ，一b lo u q 2 i2 面 根据虎克定理，弹性杆在x 轴方向的应力0 之间应满足下式： 气= e g 式中，尼为弹性体的杨氏弹性模量。 砹截囱s 上叟力为t ， e 。气s = e g s = 懿譬 麟 在截面s 上的位移为u l ( x ) ，相应的线应变为：t ， 饥锄a 2 b l ， q 2 云2 瓦+ 萨出积戗o x 截面s 上的受力为， = s e g 毋互( 罢+ 萨0 2 i t 出) 设弹性杆在受力过程中截嚣不变形( s = s + ) 按牛顿第二定律褥 s d x p 虿0 2 u = s e3 滋2 u ：d x 式中，p 为弹性杆的体密度，对上式简化得 8 2 籍 ea 2 甜 一= 一一 o t 2 p o x 2 令瑾。2 ：鱼，则( 2 9 ) 式为： p a 2 “，0 2 u 萨2 晖丽 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 _ 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 即为纵向振动波在弹性杆的波动方程的一般形式。对其求解可得通解为： 掰= 厂( x + 口，) + 厂( x 一翻，) 1 2 ( 2 1 1 ) 中困石油大学( 华东) 硕士学位论文 式( 2 - 1 1 ) 的物理意义是，沿弹性杆轴线方向有两个以相同速度= 砉向相反方向 传播的波，这两个波的传播方向和弹性杆上质点的运动方向是一致的。因而纵向振动波 在弹性杆中是以平面波形式传播的纵波。 2 2 2 钻杆中扭转振动波的传递 在探讨图2 1 中一个均匀的，截面为圆形的细长杆扭转振动波传播的一般规律时， 首先要假设在杆的一端施加扭力，在扭力的作用下弹性杆会产生扭转形变，而且扭转形 变会在弹性杆的轴线方向传播。 假设截面为圆形的弹性杆在发生扭转时仍保持为平面，即不发生扭曲，而且面积也 不发生改变，这样，弹性杆在扭转过程中每个质点都是在圆形截面内绕轴心旋转。设在 坐标x 处截面积为j 的扭转角为口，与s 相距出的截面积s 的扭转角为必， ( x ) = 口( x + d x ) ，和纵波在弹性杆中的传递规律分析方法一样，可得， 睾- - v 窘( 2 - 1 2 )萨硼；丽 式中，2 ：丝，为剪切模量。 ( 2 一1 2 ) 式为扭转振动波在弹性杆中的波动方程，口，为扭转振动波在弹性杆中的传播 速度。由于质点的运动方向和波的传播方向是垂直的，因此，扭转振动波在弹性杆中的 传播为一种横波。对于弹性杆，e = 五+ 2 2 ，五，2 0 ，和a 。比较得 垒：2 + 2 f l 一2 + 互 1 口。、j ( 2 13 ) ( 2 1 3 ) 式说明，对相同介质，纵波速度比扭波速度大。 1 3 第三章钻具振动采集装置的研制 第三章钻具振动采集装置的研制 钻具振动信号的研究与分析的基础工作是钻具振动测量装置的研制。如果没有钻具 振动测量装置，对采集的钻具振动数据分析则是不可能的。 3 1 振动测量方法的研究 振动系统中，能够直接测量的主要是运动量，即振动位移、速度、加速度。从理论 上讲，三种运动量存着简单而明确的关系，可以任意选择测量的振动参量。但是在实际 测量中，还要考虑许多客观因素口町9 | 。 通常情况下，低频率振动常会伴随着大的位移，直接用位移计就可以进行较为准确 的测量。高频率振动尽管位移较小，但加速度较大，选用加速度计较为合适。现实中， 由于加速度计比速度计轻的多，通过积分将加速度信号转换为速度和位移信号比较容易 实现，并且速度计或位移计的信号经过微分求得加速度通常比较复杂，而且往往不可靠， 因此，现实中常用加速计来测量加速信号表示振动。 调研国内外文献，到目前为止，国外钻具振动信号的测量方法通常有以下三种： ( 1 ) 利用综合录井仪参数反映钻具振动 利用在现场服务的综合录井仪的参数( 如钻压、机械钻速、大钩负荷、立管压力、 扭矩等) 来反映钻具振动信号波动【4 0 1 。通过安装在死绳处的压力传感器测量悬重， 从而间接地计算出钻压，再利用钻压的波动反映钻柱的纵向振动。同时，利用扭矩 的变化来进行反映扭转振动情况。这种方法是早期的测量方法，测量精度值得商榷， 并且受传感器安装位置和传感器本身特性的限制，不可能有效地反映出钻柱高频振 动行为。 ( 2 ) 利用测振传感动器进行地面测量 将测振传感器安装在水龙头或气动马达上，通过低噪声线缆将振动信号传输到现场 计算机进行分析处理 4 2 】。由于钻具是振动信号的良导体，钻柱可以将井下的纵向振 动、扭转振动数据实时、快速率地传输到地面，利用地面传感器进行采集，这种方式只 是在幅值上存在着信号的衰减、局部存在噪声信号，进行去噪音处理后，频率不会产生 影响，对环境要求也比较小。可是，横向振动数据在纵向传播大小为零，不能通过钻具 传输到地面，因此只能实现钻具的纵向和扭转振动测量分析。 1 4 中国孑i 油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 1 利用m w d 、l w d 或f e w d 进行井底近钻头振动测量 将测振传感器固定在钻头上方附近的短接内，利用泥浆脉冲、电缆或超声波传输到 地面进行数据处理，或者存储在井下的芯片内，在起下钻时读取出存储的振动数据【2 1 】【4 3 】 【删【45 1 。这种方法可以实现纵向振动、横向振动和扭转振动的测量，采集的振动数据比 较精确全面，但是成本消耗太大，受井下压强、温度场约束，硬件要求也比较高，容易 损坏。如果是利用泥浆脉冲传速振动数据时，有着一定的时间延迟，没有实现真正的实 时振动监测，更不用说存储在井下，利用起下钻时提取保存在井下的振动数据了。 在国内，中国石油大学( 北京) 郭学增教授、高岩副教授做了许多重要的研究工作。 他们设计了钻柱振动信号采集卡箍，安装在方钻杆处，用于固定压电式加速度计。振动 信号利用低噪声电缆直接连接的有线传输方式传送到计算机系统数据进行处理分析。它 的不足之处是只能用来进行纵向振动的测量，并且有线的传输方式，布线比较复杂给现 场工作带来许多不便。 3 2 测量装置的整体规划 本次论文结合现有试验条件，尽量提高采集精度和数据传速率，采用了地面采集的 方式，进行纵向振动和扭转振动的测量分析。由于前端振动传感器工作时要随着方钻杆 同步转动，如果与后端数据处理计算机采用有线连接，布线比较繁琐，并且远距离传输 会引起较大的误差，给应用操作带来了很多不便。因此，设计本套装置时采用了无线数 据传输方式，使得布线工作大大简化，并可以达到实时监控的目的。其整体结构图如图 3 1 所示。 图3 - 1 钻具振动测最系统整体结构图 f i g3 - 1 t h eo v e r a l ls t r u c t u r ec h a r to fd r i l l i n gs t r i n gv i b r a t i o nm e a s u r es y s t e m 本套装置由前端数据采集和后端数据接收两部分组成实现点对点的无线传输。其中 前端数扼采集部分主要有供电模块、测振传感器、滤波装置、们转换和无线发射端等 1 5 第三章钻具振动采集装置的研制 部分组成。工作时，用屏蔽线缆连接后紧固在卡箍上，安装在钻台上水龙头下面的方钻 杆上。后端数据接收部分由无线接收端和计算机组成，它与前端数据采集部分之间采用 4 3 3 m h z 的频段作为载波频率，用屏蔽线缆连接到进行数据分析的计算机上。两部分之 间的工作方式采用命令应答方式，计算机将采集数据指令下达给无线接收端后，无线接 收端向发射端发送指令，开始接收无线发射端数据。测振传感器测量的振动信号经滤波、 a d 转换后传送到无线发射端，无线发射端将接收到的数据按照规定的协议进行打包， 加入字头和c r c ( 循环冗余校验) ，发送给无线接收端，最后通过r s 2 3 2 将数据传送到 计算机进行处理分析。 本套装置采用低压、低功耗和抗噪声设计；使用防爆、防震和防水封装；设计精致， 安装使用方便，工作寿命长。 3 3 主要模块选型与设计 3 3 1 电源模块 测振传感器及无线发射部分需要固定在水龙头下面的方转杆上，要尽量减少安装、 卸载次数；为了使测振装置对钻具振动频率不产生影响，还要尽量减小前端振动采集系 统的总重量，优选集成了电荷放大器的测振传感器，不再单独使用电荷放大器和信号调 理器。因此，前端振动采集部分需要提供一个电源模块为测振传感器和无线发射部分提 供3 6 v 直流电持续供电。无线接收端需要两节普通电池提供3 v 直流电即可。 为了确保前端电源能够持续供电，本次试验选用了锂电池组并联的方式供电，它具 有以下几个特点： ( 1 ) 锂电池是一种由锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池； ( 2 ) 具有较高的重量能量比、体积能量比，携带、安装使用方便； ( 3 ) 电压高，单节锂电池电压为3 6 v ，等于3 只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； ( 4 ) 放电小，可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；锂电池不存在镍镉电池 的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电； ( 5 ) 寿命长。正常工作条件下，锂电池充放电循环次数远大于5 0 0 次； ( 6 ) 可以快速充电。锂电池通常可以采用o 5 1 倍容量的电流充电，使充电时间缩 短至1 2 h ； ( 7 ) 由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿 色环保电池。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 由于锂电池组电压较大，还需要设计一个稳压电路将电压固定到3 6 v ，这里选用了 m a x 8 5 5 3 稳压芯片，具体电路示意图如图3 2 所示。 图3 - 2 稳压电路设计示意图 f i g3 - 2v o l t a g e - s t a b i l i z e rc i r c u i td i a g r a m 3 3 2 振动传感器 目前，振动传感器有电动式、电涡 流式、应变式、电容式、电阻式和压电 式振动加速计等。综合对比所有振动传 感器，本次试验采用了新型的三轴压电 式加速计，其内部装有微型i c 放大器， 将传统的压电加速度传感器与电荷放大 器集于一体，简化了测量系统，提高了 测量精度和可靠性。其特点如下： 低阻抗输出、抗干扰、噪声小、 可以进行长电缆传输； 图3 - 3 内装i c 压电加速度传感器原理简图 f i g3 - 3 i n t e r n a li n s t a l l a t i o ni cp i e z o e l e c t r i c i t y a c c e l e r a t i o ns e n o rp r i n c i p l ed i a g r a m 性能价格比高，安装方便，尤其适用于多点测量； 稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。 ( 1 ) 压电式加速度计原理 内装i c 压电加速度传感器原理简图如图3 3 所示。它由压电加速度传感器和微型 i c 放大器组成。其中，压电加速度传感器采用世界上