EM 振动_28 July 2013

1、1 钻具的振动钻具的振动2013年7月28日定向2目录目录基本概念基本概念振动的来源与机理振动的来源与机理振动的危害振动的危害振动的检测振动的检测预防措施预防措施EMEM的振动范围的振动范围3振动的基本概念振动的基本概念定义： 物体在某一平衡位置附近所做的往复运动，叫做机械振动。简称为振动钻具的振动：三维的复杂的混合运动, 其大小和幅值是相互耦合的。钻具振动类型： 纵纵向振振动：钻头的弹跳 (Bounce) 横横向振振动：钻具的涡动 (Whirl)和弯曲变化 扭扭曲振振动：钻具的粘卡 (Stick Slip)4振动的基本概念振动的基本概念纵振纵振横振横振扭振扭振5振动的基本概念振动的基本概念6

2、纵振的来源纵振的来源频率范围： 1-10 Hz来源： 钻头与地层的不匹配 牙轮钻头 钻压的变化 泵压的波动 几种因素的耦合 Bit/Formation interaction Multilobe pattern of roller cone bits WOB variation Mud pressure fluctuation Coupling7横振的来源横振的来源频率范围：钻头：10-50 Hz钻具：5-20 Hz来源质量不平衡轴向不对称钻具不同轴侧向偏转导向马达钻具与井眼的相互干涉钻头与地层的不匹配钻头轴向受力不均匀钻头切削齿受力不均衡牙齿侧向受力钻具转速高、钻压低提离井底旋转/划眼地层硬

3、/地层变化多种情况的耦合Mass ImbalanceLack of axial symmetryComponent misalignmentLateral deflectionSteerable motorBHA/Drillstring-wellbore interactionBit-formation interactionUneven vertical loading on bit faceImbalanced cutter forcesCutter side engagementHigh RPM (Low WOB)Rotation off bottom/reamingFormation

4、hardness/Formation changeOversize holeCoupling8扭振的来源扭振的来源频率范围： 1 Hz来源： 钻头与地层不匹配 大钻压、低转速 钻具与井壁的摩擦力 高的井眼扭曲率 几种情况的耦合 Bit-formation interaction High WOB/Low RPM Friction between the drillstring/BHA and hole wall High wellbore tortuosity Coupling9振动机理振动机理钻头的弹跳钻头的弹跳钻具的强制振动钻具的强制振动钻压波动与横振钻压波动与横振钻头的粘卡钻头的粘卡钻具

5、的涡动钻具的涡动钻头的涡动钻头的涡动10振动机理振动机理振动机理振动机理原生振动原生振动次生振动次生振动频率频率 (Hz)钻具的粘卡扭振纵振0-5钻头的涡动横振扭振5-100钻具的涡动横振扭振5-20钻头的弹跳纵振扭振1-10多因素耦合纵振，横振，扭振0-20钻头的振动横振50-350+11振动的危害振动的危害钻头刀翼背部磨损PDC牙齿断裂PDC钻头的两个刀翼断裂钻杆接头磨平牙轮钻头的牙齿断裂扶正器磨出台阶断裂或者冲蚀螺杆断裂12振动的危害振动的危害MWD 和 LWD 失效井下工具的人机对话功能受阻螺杆失效钻头过早磨损或失效加速井下钻具的疲劳机械钻速降低起下钻次数增加钻井成本增加 设备需求和增

6、加的运输费 钻机时间增加13振动的危害振动的危害 EM PTG报废！报废！14振动的影响因素振动的影响因素钻井参数 钻具转速（RPM）越高，钻具和钻头的非平衡现象越严重，更易于引起横振与钻头/钻具的涡动 较低的钻具转速（RPM），会带来较大的摩擦扭矩和相应的扭振（钻具的粘卡） 需要平衡RPM和钻压的关系 井斜角 比较严重的横振大多数发生在直井（或接近直井），这是由于在斜井中的重力分量减少了 扭振在斜井中比较普遍，因为摩擦扭矩大的缘故15振动的影响因素振动的影响因素钻具组合 螺杆通常会降低通过钻具的能量 扶正器/钻铤，可以减少弯曲和涡动趋势 扶正器的外径和在钻具中的位置钻头 使用具有防涡动性能的

7、钻头 磨损的钻头或者攻击性的PDC钻头引起扭振变化 牙轮钻头在硬地层钻进时的钻头跳动地层 地层强度越高，振动越厉害井眼大小 井眼扩大将会减少钻头和扶正器的稳定性，有产生涡动和横振的趋势16振动的检测振动的检测泥浆录井数据泥浆录井数据 扭矩变化的周期性扭矩变化的周期性 扭矩，扭矩，RPM和钩载和钩载地面测量地面测量 高频率，轴向力，扭矩，高频率，轴向力，扭矩，RPM 轴向加速度轴向加速度 径向径向加速度加速度电测曲线电测曲线 井径数据井径数据MWD 侧向振动侧向振动 平均钻压、扭矩平均钻压、扭矩 实时钻压、扭矩实时钻压、扭矩 平均平均/实时侧向、径向和轴向加速实时侧向、径向和轴向加速度度 伽马伽

8、马井下记录井下记录 高频率，钻压，扭矩高频率，钻压，扭矩 高频率，侧向、径向和轴向加速度高频率，侧向、径向和轴向加速度17振动的检测振动的检测Reproduced with BP Exploration permission18振动的检测振动的检测每种振动机理都有相应的现象，以便检测和识别。严重的井下振动常常是几种振动的耦合，所以需要结合井下和地面现象综合分析、判断。为了准确识别各种不同的振动来源，经常需要检测多种现象。钻头涡动可以导致钻具的涡动，引起MWD的横振。钻头的跳动可以引起钻具的横振。钻具的粘卡现象常常是由于钻具的横振滑移相位引起的。扶正器与井眼的相互作用可能引起钻具的振动（当扶正器

9、进入新井眼或者穿过有台阶的井眼时，需要进行划眼，消除小井眼）。钻具通过井径扩大的井眼时，钻具组合会产生横振。19振动的检测振动的检测因此，需要全面、综合利用所有的可能的信息正确分析、判断井下情况：地面扭矩和RPM的变化 钻具的粘卡井下频繁的横振/扭振 钻头的涡动地面轴向振动 钻头的跳动钻头和其它钻具的磨损分析通过分析LWD曲线，可以清楚地知道振动值增加的地方：钻遇硬地层，扶正器进入新井眼/新地层，钻具组合位于井眼冲刷区域等等。LWD振动数值表明振动的严重程度。若持续出现非正常钻井振动值5分钟以上，必须调整钻井参数，降低振动。如果地面的扭矩变化幅度超出平均值的15%以上, 很可能是钻具的粘卡现象

10、，需要采取相应的技术措施来降低，通常钻具的粘卡幅度取决于钻具性能： 5” 钻杆每1000米大约振动2秒钟。在大斜度井中，钻具的粘卡振动是由于钻具与井壁之间的摩擦力引起的，而不是钻头与地层不匹配，及时钻具提离井底，该现象仍然难以消除。20振动的检测振动的检测实时监测实时监测现象振动类型扭矩波动钻具粘卡扭矩周期性变动钻具粘卡MWD振动钻具粘卡，钻具涡动大扭矩钻具涡动，钻头涡动频繁的井下横振和扭振钻具涡动，钻头涡动机械钻速降低钻头涡动，钻头跳动钻压波动钻头跳动地面振动钻头跳动钻后分析钻后分析粘扣或者脱扣钻具粘卡断裂/冲蚀钻具粘卡，钻具涡动，弹跳钻头牙齿冲击损坏钻具粘卡，钻头涡动，弹跳井眼扩大钻头涡动

11、钻具接头磨损钻具涡动扶正器损坏钻具涡动21预防措施预防措施Reproduced with BP Exploration permission22预防措施预防措施经常需要采取多种措施来降低或消除钻具的振动。l钻具的粘卡钻具的粘卡: -顶驱软扭矩系统，根据井深和钻具组合，按照操作要求调整参数设置-如果粘卡是由于钻头和地层不匹配引起的，降低钻压或者增加RPM-提高泥浆的润滑性-如果粘卡是由于钻具与井壁的摩擦造成的，使用滚子划眼器/扶正器-攻击性较低的钻头-调节顶驱档位 (Change top drive gearing)-降低狗腿度，保证井眼剖面光滑，减少摩擦点l钻头涡动钻头涡动: -钻具提离井底，

12、停止旋转，改变钻井参数重新开始钻进-使用防涡动钻头，减少钻头的横振-降低 RPM，提高钻压-钻头提离井底一段距离，小转速划眼-避免使用临界转速钻进-钻头接触井底后，增加RPM，快速钻进23预防措施预防措施钻头的跳动钻头的跳动: 减震接头接近钻头，可以抑制轴向运动调整钻井参数，钻压和RPM，进行新的井底造型参数共振（钻压波动于横振，参数共振（钻压波动于横振，Parametric Resonance）: 减震接头抑制轴向运动PDC钻头可以减少纵振的机会调节RPM，降低钻压，进行新的钻头井底造型钻具涡动钻具涡动: 钻具提离井底，停止旋转，改变钻井参数重新开始钻进严禁使用临界钻速滚子扩眼器/扶正器或非

13、旋转扶正器，可以降低扶正器与井壁的相互运动降低 RPM，提高钻压优化泥浆性能24预防措施预防措施振动机理振动机理地面现象地面现象典型工况典型工况应对措施应对措施钻具/钻头涡动 扭矩可能增加 直井停止钻进，重新开始 ROP降低 冲蚀过的井眼降低RPM，避免临界转速 工具接头磨损大钟摆钻具组合 扶正块损坏光钻铤组合PDC钻头硬地层钻具的粘卡 扭矩波动很大 (周期3-10秒) 大斜度或攻击性PDC，大钻压停止钻进，重新开始 扭矩周期性增加 井深大约1000米提高RPM，降低钻压 RPM周期变化 RPM失速 连接丝扣过紧或倒开25预防措施预防措施振动机理振动机理地面现象地面现象典型工况典型工况应对措施应对措施钻头跳动 顶驱纵振直井停止钻进，重新开始 钻压波动牙轮钻头在硬地层钻进降低RPM，降低钻压 钻头牙齿断裂 钻具组合被冲蚀 ROP降低钻具的纵振 扭矩可能增加直井停止钻进，重新开始偏心钻具降低RPM硬地层混合振动(振动耦合) 顶驱纵振直井停止钻进，重新开始 地面扭矩波动较大大钟摆钻具重新调整RPM和钻压 钻压波动硬地层 RPM不稳定26预防措施预防措施l当改变或调整钻井参数，尝试降低钻具振动时，要有足够的时间，观察该调整参数的效果如何。l常见的方法就是：提起钻具常见的方法就是：提起钻具，停止旋转，直到扭矩完全，停止旋转，直到扭矩完全消失，然后改变钻井参数，消失，然后改变钻