1、综合录井钻具振动检测与分析2008-05-17 14:58:33http:/ 综合录井由勘探者的耳目逐渐上升为勘探者的有力助手，现在已成为勘探者必不可少的决策依据。这种角色的提升，是油气勘探开发的现实需要和工程技术进步的结果。随着工作站型综合录井仪的引进，作为进口工作站型综合录井仪技术亮点的钻具振动检测与分析及录井数据远程传输技术，将带动整个录井技术再上一个新的台阶。钻具振动检测与分析技术，就是在旋转钻井过程中，利用钻具产生的振动行为来传输井下情况和岩性信息。由于其检测与分析技术具有实时性，因此，人们也将其称为钻具振动录井技术。钻具振动录井技术的关键是振动信号的采集和分析系统。国内传统录井系统
2、没有配备这一系统，虽然可通过扭矩传感器达到间接测量钻具扭向振动的目的，但从测量原理上来看其测量精度较差，不能很好地直接反映地层方面的有关信息。二、国内外研究现状1国外研究现状在钻井过程中，钻具振动与钻具及其组成部分的动力学特性有关。国外从 60 年代就开展了钻具振动问题的研究，近年来已取得了许多重要成果。1984 年 Arrco 公司开发出了“ 高级钻具分析与测量系统“。1985 年该公司的 Besaisow 等人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，Elf Aquitaine 公司又在钻具动力学的理论
3、和技术上取得了进一步的研究成果，1986 年，该公司专门成立了研究小组，并于 1998 年研制出“ 钻进动态控制装置“。 近年国际录井公司开发的独具特色的 DLS VIBRA 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。DLS VIBRA 软件包由两个软件组成：一个为振动数据采集软件，一个为分析监测软件。采集软件可以最快 10HZ 的频率采集四类参数：泵压、大钩负荷、转盘转速及扭矩并将其传至分析监测软件。分析监测软件可以装在仪器房内也可以装在后方办公室通过网络传输数据进行扭振的实时监测分析。DLS VIBRA 的分析软件使用复杂的快速傅立叶变换对
4、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转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。2国内研究现状国内石油大学高岩副教授、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 1997 年研制出检测装置，1998 年在华北油田曹 11 井和固 18 井两口井上进行了试验，取得了可喜的阶段成果。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重大进展，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
5、行能量归一化处理，并采用了人工神经网络技术进行编程。三、技术原理1.检测原理 在旋转钻井中，钻头破岩时会产生声波发射现象，岩石应变能以弹性波方式快速释放，通过钻具振动传至地面。最终由钻井动力系统或装置所承受。钻具应力波的来源很广泛，诸如钻头的转动、岩石的破碎、井眼的几何形状、钻具的组合均可以是钻具应力波产生的源泉，但我们所关心的是那些能够说明钻头工况和岩层特征的应力波。钻具带动钻头作旋转运动，是旋转式钻井的基本操作之一，但它也是诱发钻具振动的主要来源。旋转钻头的运动模式，必然反映在钻具的振动中。岩石是由多种矿物组成的集合体。每种矿物破碎时，均有其特定的破碎应力和应变时间。矿物作连续性破碎时，其
6、应力和应变时间的交替变化，表现为外因钻具应力波的幅频特性。岩石破碎过程的信息，将反映在钻具应力波频谱特性中。通过应力波检测及频谱分析，就能够提取钻具工况（包括钻头） 、地层岩性特征信息。计算机技术和信息处理理论的发展，使实现这个目标成为可能。振动信号测量系统装置图见图 2。该测量系统主要由轴向加速度传感器、电荷放大器、模拟滤波器及采样系统组成。2.分析原理 2.1 钻具应力波频段钻具应力波的低频段（0200Hz） ，可为工程提供钻头工况方面的信息，依据频谱曲线呈现的异常波形可以判别为钻头失效的先兆。在钻具应力波的高频段（5kHz 以上）为地层信息频段。该频段的显著特点是，有一条明显的贯穿于 5
7、-6kHz 的加强频带，此频带将随地层的埋藏深度的增加，产生频率有左偏移，左偏移说明了岩石在多向应力下的塑变现象，而 56kHz 频带是泥岩或泥质胶结物破碎时所产生的频率响应。200-5kHz 频段正好是音频区，目前暂且认为是钻机和诸多井场装备激发的音频振荡，它既观察不出与转速的相关性，也看不出与岩石塑变的相关性，留作后继开发的对象。2.2 信号识别2.2.1 低频信号识别为了识别每一组谱线，需要将钻具应力波以快速傅立叶变换频谱图和能谱图展开,并将谱线细化成若干频段。根据取得的大量频谱资料，认定 0-200Hz 频段为钻头信息频段。该频段上有两处呈现钻头的所谓“健康信号“：a.与转速一倍频、二
8、倍频、三倍频相关的谱线它们是由于使用三牙轮钻头形成三脊状井底，或由于钻具弯曲产生的影响；b.牙轮钻头所特有的牙齿接触井底而生成的一簇带边带的谱线。2.2.1 高频信号识别钻具应力波的高频段（5kHz 以上频段）的信号为高频信号。其主要受以下三个方面因素的干扰：a.井深的干扰随着井眼的加深，由地面取得的信号越来越小，相对来说，其他干扰因素的份量越来越大。b.井眼的尺寸通常的规律是钻头尺寸呈阶梯状下降规律。显而易见，由地面采集的应力波信号，也将呈阶梯状下降趋势。如何补偿这一阶梯状下降的趋势，是排除干扰的第二个难点。c.措施的影响诸如钻压、转速、泵排量等钻井参数，均为人们施加的措施。不同措施下的频谱
9、，肯定在幅度上有较大的区别。可以认为 5-10kHz 频段的采集信号能量，在采集系统相对稳定条件下，是与岩石破碎能量成正比的。由图 5 可以看出，采集信号的局部变化是相当剧烈的，但由大段的趋势上看，又是呈阶梯状下降的。基于图 5 的能量变化图，可以认为，井深的归一、井眼尺寸的归一、技术措施的归一，归根结底是能量的归一化。有了采集能量的变化曲线，就不难得出能量的归一化模式。为此利用以下模式和能量变化曲线，对采集信号进行能量归一化处理。E=Af2f1y(f)df/ f2f0 y(f)df式中 E-能量比；A-比例放大因子；F0-待分析频段起始频率；F2-待分析频段终止频率；F1-岩性敏感频段的起始
10、频率；Y(f) -信号幅频特性函数；对钻具应力波高频段进行分离的目的，在于将该段的各个谱线，与岩石矿物成分相关。如此，达到随钻识别岩性的目的。分离技术的核心，是人工神经网络技术。将人工采集的岩性作为已知输出量，泥岩破碎带以上的谱线作为已知输入量，对神经网络进行训练，从而取得本地区的训练模型。利用该模型再去反演岩性，取得岩性对照。实测岩性与模型演算结果符合率在 60%以上。四、主要用途1主要用途钻具振动检测资料主要用于钻井工程井下钻具安全情况分析和地层岩性变化分析，甚至进行岩性密度、孔隙度定量计算，总体概括为工程应用和地质应用两个方面。a.工程应用在钻井过程中，钻具振动是指由于钻具与井辟、钻头与
11、岩石相互作用使钻具应力变化而产生的复杂振动，主要指纵振（轴向） 、横振（侧向）和扭振（扭向） 。对钻具振动的监测和分析，可实现卡钻的监测、钻头磨损的监测和对钻具谐振和钻具偏转现象的识别等，从而能及时调整钻井参数，减少钻具故障，优化钻井过程，提高钻井效率。在钻井作业中异常钻具振动的出现对钻头、井下工具及钻具是及其有害的。及时发现异常钻具振动并提供预报使钻井工程技术人员尽快采取措施消除振动，井下钻具组合（BHA）的各部件在出现故障前能够及时预报，从而使钻井作业更趋最佳状态。b.地质应用在旋转钻井中，钻头的破岩作用使岩石在破碎时产生声波发射现象。这实际上是岩石应变能以弹性波方式快速释放，其中一部分能
12、量通过钻具作为传播介质以微振动的方式传至地面。如果在地面安装合适的传感器和测量系统，可实现对岩性的快速识别。即用钻具应力波频谱分析方法识别岩性，这是钻具振动分析的应用方向之一。常规地质录井中地质分层、卡准层位和进行岩屑描述，主要是根据钻时、岩屑样品以及气测值来进行的。但对于地层中出现的薄层和夹层岩性，在非加密取样间隔或取心情况下，我们往往不能将它准确描述出来，况且砂样中的掉块及地质师的经验都会造成岩屑描述的失真，进而使岩屑描述的剖面符合率降低。DLS 的钻具振动分析技术主要是对扭矩（Torque ） 、转速（RPM） 、大钩负荷（Hook-Load）和立压（SPP ）传感器测量信号以 10Hz
13、 的速率进行实时采集，再利用快速傅立叶变换技术分解高频扭矩信号以检测、分析正弦振动的大小和频率的变化，由此产生振动测量值和能谱图，显示钻具振动的分析结果。石油大学的高岩、郭学增在华北油田利用自己研制的钻具振动信号测量系统进行了探索性实验研究。牙轮钻头调幅振动波形及频谱曲线如图 6 所示。从图中的频谱看出，以被调制频率为中心表现出边带信号，这就是牙轮牙齿与地层相互作用的结果。五、发展预测纵观世界能源经济发展和国内能源需求变化，今后 3-5 年内录井行业将在 WTO 的推动下进一步开放国内市场，加快走出国门步伐，加快整合重组速度，“联合起来办大事“ 的思路将被放在重中之重的位置。在这种新的形势下，
14、录井服务理念也将发生巨大变化，能否适应这种变化，将决定于录井服务技术发展情况。充满了挑战性的钻具应力波采集和处理的国产技术，通过石油大学的博士、教授们的多年科研攻关，有望于近年内实现与 PC 型综合录井仪的配套，并成为录井技术的一部分。消化吸收具有进口工作站型综合录井仪技术亮点之称的钻具振动检测与分析技术是当前提高录井技术进步水平的重要工作之一，是实现少投入多产出的效益目标。六、局限性钻具振动分析作为一项新技术在应用中也有它的局限性：a.如在使用井下动力钻具时，由于井下扭矩和转速信号地面传感器无法检测，因此钻具振动分析不能发挥作用。b.使用 PDC 钻头时，由于它无牙轮、齿小，反映到地面的振动
15、特性相对牙轮钻头较弱，给分析判断增加了难度。c.影响钻具振动的钻井参数随时都在改变，因此在钻井过程中，需要司钻做到送钻均匀、排量、转速平稳等，尽量减少影响程度。七、结束语随着我们对钻具振动分析技术使用熟练程度的提高、现场经验的丰富、积累，钻具振动分析技术在现场录井中将发挥越来越重要的作用，可概括为工程应用和地质应用两个方面：a.工程应用在钻井过程中，钻具振动是指由于钻具与井壁、钻头与岩石相互作用使钻具应力变化而产生的复杂振动，主要指纵振（轴向） 、横振（侧向）和扭振（扭向） 。对钻具振动的监测和分析，可实现对卡钻、钻头磨损的监测以及对钻具谐振和钻具偏转现象的识别等，从而能及时调整钻井参数，减少钻具故障，优化钻井过程，提高钻井效率。在钻井作业中异常钻具振动的出现对钻头、井下工具及钻具是及其有害的。及时发现异常钻具振动并提供预报使钻井工程技术人员尽快采取措施消除振动，井下钻具组合（BHA）的各部件在出现故障前能够及时预报，从而使钻井作业更趋最佳状态。b.地质应用在旋转钻井中，钻头的破岩作用使岩石在破碎时产生声波发射现象。这实际上是岩石应变能以弹性波方式快速。
