1、綜合錄井鉆具振動檢測與分析 上一篇 / 下一篇 2008-05-17 14:58:33 查看( 46 ) / 評論( 0 ) / 評分( 0 / 0 ) 一、前言 綜合錄井由勘探者的耳目逐漸上升為勘探者的有力助手， 現(xiàn)在已成為勘探者必不可少的決策 依據(jù)。 這種角色的提升， 是油氣勘探開發(fā)現(xiàn)實的需要和技術(shù)進步的結(jié)果。 隨著工作站型綜合 錄井儀的引進， 作為進口工作站型綜合錄井儀技術(shù)亮點的鉆具振動檢測與分析及錄井?dāng)?shù)據(jù)遠 程傳輸技術(shù)，將帶動整個錄井技術(shù)再上一個新的臺階。鉆具振動檢測與分析技術(shù)， 就是在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中， 利用鉆具產(chǎn)生的振動行為來傳輸井下情 況和巖性信息。 由于其檢測與分析技術(shù)具有實時性

2、， 因此， 人們也將其稱為鉆具振動錄井技 術(shù)。鉆具振動錄井技術(shù)的關(guān)鍵是振動信號的采集和分析系統(tǒng)。 國內(nèi)傳統(tǒng)錄井系統(tǒng)沒有配備這 一系統(tǒng)， 雖然可通過扭矩傳感器達到間接測量鉆具扭向振動的目的， 但從測量原理上來看其 測量精度較差，不能很好地直接反映地層方面的有關(guān)信息。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1國外研究現(xiàn)狀 在鉆井過程中，鉆具振動與鉆具及其組成部分的動力學(xué)特性有關(guān)。國外從 60 年代就開展了 鉆具振動問題的研究，近年來已取得了許多重要成果。 1984 年 Arrco 公司開發(fā)出了 "高級鉆 具分析與測量系統(tǒng)”。1985年該公司的Besaisow等人論述了振動信號可以通過鉆具頂部獲得， 而且其信號

3、可真實反映井下鉆具行為， 并討論了鉆具振動產(chǎn)生的機理。 與此同時， 以優(yōu)化破 巖機理為目的， Elf Aquitaine 公司又在鉆具動力學(xué)的理論和技術(shù)上取得了進一步的研究成果， 1986年，該公司專門成立了研究小組，并于 1998年研制出 "鉆進動態(tài)控制裝置 "。近年國際錄井公司開發(fā)的獨具特色的DLS VIBRA占具振動分析軟件包，專門用以檢測鉆具的扭轉(zhuǎn)振動強度并進行分析預(yù)報，并成功地實現(xiàn)了商業(yè)化推廣，主界面見圖1。740)this.width=740" border=undefined>DLS VIBRA軟件包由兩個軟件組成：一個為振動數(shù)據(jù)采集軟件，一個

4、為分析監(jiān)測軟件。 采集軟件可以最快 10HZ 的頻率采集四類參數(shù)：泵壓、大鉤負(fù)荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及扭矩并將其傳 至分析監(jiān)測軟件。 分析監(jiān)測軟件可以裝在儀器房內(nèi)也可以裝在后方辦公室通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù) 進行扭振的實時監(jiān)測分析。DLS VIBRA的分析軟件使用復(fù)雜的快速傅立葉變換對扭矩信號進行頻率分析，分析的結(jié) 果以能譜圖的方式實時檢測轉(zhuǎn)矩信號的正弦變化并用能譜圖和均方根表顯示出來，使得操作人員對扭矩變化一目了然。 在實時監(jiān)測狀態(tài)下， 這個軟件還能夠回放數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)， 查看并 打印出感興趣井段的曲線。2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)石油大學(xué)高巖副教授、郭學(xué)增教授在鉆具振動檢測與分析方面開展了頗有成效的研究， 于 199

5、7 年研制出檢測裝置， 1998 年在華北油田曹 11 井和固 18 井兩口井上進行了試驗， 取 得了可喜的階段成果。 進入二十一世紀(jì)后， 劉志國博士和郭學(xué)增教授在鉆具振動檢測與分析 研究上又取得重大進展， 在應(yīng)力波分離和處理方面， 對三種干擾因素(井深的變化、 井眼尺 寸的不同和鉆井參數(shù)的變化） 等進行能量歸一化處理， 并采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行編程。三、技術(shù)原理1.檢測原理在旋轉(zhuǎn)鉆井中， 鉆頭破巖時會產(chǎn)生聲波發(fā)射現(xiàn)象， 巖石應(yīng)變能以彈性波方式快速釋放， 通過 鉆具振動傳至地面。最終由鉆井動力系統(tǒng)或裝置所承受。鉆具應(yīng)力波的來源很廣泛， 諸如鉆頭的轉(zhuǎn)動、 巖石的破碎、 井眼的幾何形狀、 鉆具

6、的組合均 可以是鉆具應(yīng)力波產(chǎn)生的源泉， 但我們所關(guān)心的是那些能夠說明鉆頭工況和巖層特征的應(yīng)力 波。鉆具帶動鉆頭作旋轉(zhuǎn)運動， 是旋轉(zhuǎn)式鉆井的基本操作之一， 但它也是誘發(fā)鉆具振動的主要來 源。旋轉(zhuǎn)鉆頭的運動模式，必然反映在鉆具的振動中。巖石是由多種礦物組成的集合體。 每種礦物破碎時， 均有其特定的破碎應(yīng)力和應(yīng)變時間。 礦 物作連續(xù)性破碎時， 其應(yīng)力和應(yīng)變時間的交替變化， 表現(xiàn)為外因鉆具應(yīng)力波的幅頻特性。 巖 石破碎過程的信息，將反映在鉆具應(yīng)力波頻譜特性中。通過應(yīng)力波檢測及頻譜分析，就能夠提取鉆具工況（包括鉆頭） 、地層巖性特征信息。計算 機技術(shù)和信息處理理論的發(fā)展，使實現(xiàn)這個目標(biāo)成為可能。振動信號

7、測量系統(tǒng)裝置圖見圖 2。該測量系統(tǒng)主要由軸向加速度傳感器、電荷放大器、模擬 濾波器及采樣系統(tǒng)組成，信號處理流程見圖3。740）this.width=740" border=undefined>740）this.width=740" border=undefined>2.分析原理2.1 鉆具應(yīng)力波頻段鉆具應(yīng)力波的低頻段 （0200Hz）,可為工程提供鉆頭工況方面的信息，依據(jù)頻譜曲線呈現(xiàn)的異常波形可以判別為鉆頭失效的先兆。在鉆具應(yīng)力波的高頻段（ 5kHz 以上）為地層信息頻 段。該頻段的顯著特點是，有一條明顯的貫穿于 5-6kHz 的加強頻帶，此頻帶將隨地層的埋 藏

8、深度的增加，產(chǎn)生頻率有左偏移，左偏移說明了巖石在多向應(yīng)力下的塑變現(xiàn)象，而5s6kHz頻帶是泥巖或泥質(zhì)膠結(jié)物破碎時所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)。 200-5kHz 頻段正好是音頻區(qū)，目前暫 且認(rèn)為是鉆機和諸多井場裝備激發(fā)的音頻振蕩， 它既觀察不出與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性， 也看不出與 巖石塑變的相關(guān)性，留作后繼開發(fā)的對象。2.2 信號識別2.2.1 低頻信號識別 為了識別每一組譜線，需要將鉆具應(yīng)力波以快速傅立葉變換頻譜圖和能譜圖展開,并將譜線細(xì)化成若干頻段 , 見圖 4。740）this.width=740" border=undefined>根據(jù)取得的大量頻譜資料，認(rèn)定 0-200Hz 頻段為鉆頭信

9、息頻段。該頻段上有兩處呈現(xiàn)鉆頭 的所謂"健康信號 "：a. 與轉(zhuǎn)速一倍頻、二倍頻、三倍頻相關(guān)的譜線它們是由于使用三牙輪鉆頭形成三脊?fàn)罹?底，或由于鉆具彎曲產(chǎn)生的影響；b. 牙輪鉆頭所特有的牙齒接觸井底而生成的一簇帶邊帶的譜線。2.2.1 高頻信號識別 鉆具應(yīng)力波的高頻段（ 5kHz 以上頻段）的信號為高頻信號。其主要受以下三個方面因素的 干擾：a. 井深的干擾 隨著井眼的加深，由地面取得的信號越來越小，相對來說，其他干擾因素的份量越來越大。b. 井眼的尺寸通常的規(guī)律是鉆頭尺寸呈階梯狀下降規(guī)律。 顯而易見， 由地面采集的應(yīng)力波信號， 也將呈階 梯狀下降趨勢。如何補償這一階梯狀

10、下降的趨勢，是排除干擾的第二個難點。c. 措施的影響 諸如鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵排量等鉆井參數(shù)，均為人們施加的措施。不同措施下的頻譜，肯定在幅 度上有較大的區(qū)別。為了評價以上三個方面的綜合影響，列出了 2.5-10kHz 頻段采集信號的能量隨井深變化的曲 線，如圖 5 所示。740）this.width=740" border=undefined>可以認(rèn)為 5-10kHz 頻段的采集信號能量， 在采集系統(tǒng)相對穩(wěn)定條件下， 是與巖石破碎能量成 正比的。由圖 5 可以看出， 采集信號的局部變化是相當(dāng)劇烈的， 但由大段的趨勢上看， 又是呈階梯狀 下降的?；趫D 5 的能量變化圖，可以認(rèn)為，井

11、深的歸一、井眼尺寸的歸一、技術(shù)措施的歸一，歸根 結(jié)底是能量的歸一化。 有了采集能量的變化曲線， 就不難得出能量的歸一化模式。 為此利用 以下模式和能量變化曲線，對采集信號進行能量歸一化處理。 E=A/ f2f1y（f） df/ f2f0 y（f） df式中 E-能量比；A比例放大因子；F0待分析頻段起始頻率；F2待分析頻段終止頻率；F1巖性敏感頻段的起始頻率；Y（f） 信號幅頻特性函數(shù)；對鉆具應(yīng)力波高頻段進行分離的目的， 在于將該段的各個譜線， 與巖石礦物成分相關(guān)。 如此， 達到隨鉆識別巖性的目的。分離技術(shù)的核心， 是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 將人工采集的巖性作為已知輸出量， 泥巖破碎帶以 上的譜線

12、作為已知輸入量， 對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練， 從而取得本地區(qū)的訓(xùn)練模型。 利用該模型 再去反演巖性，取得巖性對照。實測巖性與模型演算結(jié)果符合率在60%以上。四、主要用途1 主要用途 鉆具振動檢測資料主要用于鉆井工程井下鉆具安全情況分析和地層巖性變化分析，甚至進行巖性密度、孔隙度定量計算，總體概括為工程應(yīng)用和地質(zhì)應(yīng)用兩個方面。a .工程應(yīng)用 在鉆井過程中， 鉆具振動是指由于鉆具與井辟、 鉆頭與巖石相互作用使鉆具應(yīng)力變化而產(chǎn)生 的復(fù)雜振動， 主要指縱振 （軸向）、橫振（側(cè)向） 和扭振（扭向）。對鉆具振動的監(jiān)測和分析， 可實現(xiàn)卡鉆的監(jiān)測、 鉆頭磨損的監(jiān)測和對鉆具諧振和鉆具偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的識別等， 從而能及時調(diào)

13、整鉆井參數(shù)，減少鉆具故障，優(yōu)化鉆井過程，提高鉆井效率。在鉆井作業(yè)中異常鉆具振動的出現(xiàn)對鉆頭、 井下工具及鉆具是及其有害的。 及時發(fā)現(xiàn)異常鉆 具振動并提供預(yù)報使鉆井工程技術(shù)人員盡快采取措施消除振動，井下鉆具組合（BHA）的各部件在出現(xiàn)故障前能夠及時預(yù)報，從而使鉆井作業(yè)更趨最佳狀態(tài)。b.地質(zhì)應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)鉆井中， 鉆頭的破巖作用使巖石在破碎時產(chǎn)生聲波發(fā)射現(xiàn)象。 這實際上是巖石應(yīng)變能 以彈性波方式快速釋放，其中一部分能量通過鉆具作為傳播介質(zhì)以微振動的方式傳至地面。 如果在地面安裝合適的傳感器和測量系統(tǒng)， 可實現(xiàn)對巖性的快速識別。 即用鉆具應(yīng)力波頻譜 分析方法識別巖性，這是鉆具振動分析的應(yīng)用方向之一。常規(guī)

14、地質(zhì)錄井中地質(zhì)分層、 卡準(zhǔn)層位和進行巖屑描述， 主要是根據(jù)鉆時、 巖屑樣品以及氣測 值來進行的。 但對于地層中出現(xiàn)的薄層和夾層巖性， 在非加密取樣間隔或取心情況下， 我們 往往不能將它準(zhǔn)確描述出來，況且砂樣中的掉塊及地質(zhì)師的經(jīng)驗都會造成巖屑描述的失真， 進而使巖屑描述的剖面符合率降低。DLS的鉆具振動分析技術(shù)主要是對扭矩（Torque）、轉(zhuǎn)速（RPM）、大鉤負(fù)荷（Hook-Load）和立壓（SPP傳感器測量信號以10Hz的速率進行實時采集，再利用快速傅立葉變換技術(shù)分 解高頻扭矩信號以檢測、 分析正弦振動的大小和頻率的變化， 由此產(chǎn)生振動測量值和能譜圖， 顯示鉆具振動的分析結(jié)果。石油大學(xué)的高巖、

15、 郭學(xué)增在華北油田利用自己研制的鉆具振動信號測量系統(tǒng)進行了探索性實 驗研究。 牙輪鉆頭調(diào)幅振動波形及頻譜曲線如圖 6所示。 從圖中的頻譜看出， 以被調(diào)制頻率 為中心表現(xiàn)出邊帶信號，這就是牙輪牙齒與地層相互作用的結(jié)果。740）this.width=740" border=undefined>五、發(fā)展預(yù)測縱觀世界能源經(jīng)濟發(fā)展和國內(nèi)能源需求變化，今后 3-5 年內(nèi)錄井行業(yè)將在 WTO 的推動下進 一步開放國內(nèi)市場，加快走出國門步伐，加快整合重組速度，"聯(lián)合起來辦大事 "的思路將被放在重中之重的位置。 在這種新的形勢下， 錄井服務(wù)理念也將發(fā)生巨大變化， 能否適應(yīng)這種

16、 變化，將決定于錄井服務(wù)技術(shù)發(fā)展情況。充滿了挑戰(zhàn)性的鉆具應(yīng)力波采集和處理的國產(chǎn)技術(shù)， 通過石油大學(xué)的博士、 教授們的多年科 研攻關(guān)，有望于近年內(nèi)實現(xiàn)與PC型綜合錄井儀的配套，并成為錄井技術(shù)的一部分。消化吸收具有進口工作站型綜合錄井儀技術(shù)亮點之稱的鉆具振動檢測與分析技術(shù)是當(dāng)前提高錄井 技術(shù)進步水平的重要工作之一，是實現(xiàn)少投入多產(chǎn)出的效益目標(biāo)。六、局限性鉆具振動分析作為一項新技術(shù)在應(yīng)用中也有它的局限性：a. 如在使用井下動力鉆具時，由于井下扭矩和轉(zhuǎn)速信號地面?zhèn)鞲衅鳠o法檢測，因此鉆具 振動分析不能發(fā)揮作用。b. 使用PDC鉆頭時，由于它無牙輪、齒小反映到地面的振動特性相對牙輪鉆頭較弱，給分析判斷增加了難度。c. 影響鉆具振動的鉆井參數(shù)隨時都在改變，因此在鉆井過程中，需要司鉆做到送鉆均勻、排量、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)等，盡量減少影響程度。七、結(jié)束語隨著我們對鉆具振動分析技術(shù)使用熟練程度的提高、現(xiàn)場經(jīng)驗的豐富、 積累， 鉆具振動分析技術(shù)在現(xiàn)場錄井中將發(fā)揮越來越重要的作用。一項新技術(shù)是否能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力， 技術(shù)的關(guān)鍵在于配套性和可操作性， 管理的關(guān)鍵在于領(lǐng)導(dǎo) 的重視程度。概括為工程應(yīng)用和地質(zhì)應(yīng)用兩個方面。a. 工程應(yīng)用在鉆井過程中， 鉆具振動是指由于鉆具與井辟、 鉆頭與巖石相互作用使鉆具應(yīng)力變化而產(chǎn)生 的復(fù)雜振動， 主要指縱振 （軸向）、橫振（側(cè)