基于钻头运动诱发套管头振动信号检测的井眼防碰监测方法
套管头振动信号特征应用于油井防碰监测的可行性分析
整体 防碰设 计方 案 、 眼轨 迹测 量和 防碰 扫描计算 、 井
井 眼 轨迹控 制人 工监 听 、 提高人 员 的防碰 意识等 ， 多 数属 于通过 预测 进行 防碰 ， 除人 工监 听方法 外 ， 有 没 实 时监测 的手 段 ， 经不 能 完 全满 足 加 密 调 整井 的 已
２ 套 管 头 振 动 信 号 特 征 应 用 于 油 井
刘 刚 孔得 臣 孙 金 刘 勃。 杨 全枝
（ ．中 国 石 油大 学 （ 东 ） 油 工 程 学 院 ； ２ 中 国石 化 集 团 上 海 海洋 石 油 局 钻 井 分 公 司 ； ３ 长 江 大 学 ） １ 华 石
摘 要 提 出了一种 井 间防碰 监 测的新 方 法 ， 即利 用在 风 险 井套 管 头上 安 装 的传 感 器监 测 由套 管 传 输到 地 面的钻 头振 动信 号 ， 分析 振动 波在 地层和 风 险井套 管 中的传播规 律 ， 而预 测钻 头是 否趋 进 近 风 险井套 管 ， 评估钻 头距 风 险井套 管 间的相对 距 离。分析 结果表 明 ： 并 在钻 井钻 头振 动诱发 的风 险 井套 管 头振动 信号存 在 一个特征 频 率段 ， 在钻 井钻 头破 岩诱 发 的 风 险井 套 管 头振动 信 号 特征 与 在钻 井钻 头距风 险 井套 管间的距 离有 明确 的对应 关 系， 因此 利 用风 险 井套 管 头振 动信 号预 测在 钻 井钻 头趋 近 的方法 对加 密调整 井进行 防碰监 测 ， 这在技 术 思路 上 是可行 的 。 关键 词 套 管头 振 动信 号 井 间距 离 防碰监 测 可行 性分析 的计算误 差和预测误差 ； ③人工监 听的方法 只能 是一 种 辅助的手段 ， 受 监 听人员 的经 验 、 且 精力 和周 围环
一基于时域统计特征的井眼碰撞识别方法
一基于时域统计特征的井眼碰撞识别方法刘刚;张家林;刘闯;刘华亮;于长广【摘要】During well drilling, special time-domain features of drilling bit vibration signals will be produced when drilling at cement sheath and casing, which are different with that when drilling through rock formations.A new method for the recogni-tion of borehole collision was proposed by analyzing the vibration signals produced when the drill bit collided with the cement sheath and casing of nearby wells. Firstly, the dispersion and shape distribution characteristics of the vibration signals were extracted, then the principal component analysis( PCA) was conducted to obtain the principal features of the signals. Finally a support vector machine ( SVM) was trained with sampled signals to establish a model, which could be used to identify the borehole collision automatically by distinguishing the principal features of different vibration signals. This method has been effectively verified through real drilling data analysis from offshore cluster wells.%相同钻井条件下，钻头钻遇水泥环、套管的振动信号与钻进地层的振动信号的时域特征不同。
井眼防碰监测中的风险信号特征识别_刘刚
刘
刚等： 井眼防碰监测中的风险信号特征识别
— 77 —
防碰工艺技术的不断完善提供实践与技术支撑 。
1
1. 1
防碰监测系统
工作原理
钻进过程中，可以将钻头切削、破碎岩石的过 程作为声发射源。 声发射源产生的信号会在钻杆、 套管和地层等传输介质中传播，可以通过一定的检 ［2 ］ 测手段在地面得到由此产生的声发射信号 。 钻 头的破碎对象不同，声发射源产生的信号特征也不 同，当钻头钻遇邻井水泥环或套管时 ，会产生不同 于钻头破碎常规岩石的信号。防碰监测系统就是通 过安装在套管头上的传感器来感知由邻井套管传递 至地面的钻头破碎不同对象的信号 ，识别这些信号 的特征，反衍破碎对象的变化，从而识别出钻头钻 到邻井水泥环乃至套管的风险。 防碰监测系统的工作原理如图 1 所示。在套管 头上安装接收声发射源产生信号的传感器 ，经高速 采集仪传输至计算机，通过专门的信号采集分析软 件识别不同的信号特征。当钻头破碎的对象特征发 生改变时，给出预警及报警信息。
2
现场监测及信号特征识别
在钻进过程中，钻头在井底破碎岩石产生的振 动波会在钻柱、套管和地层中传播，一直传递至邻 井套管头上但具有一定程度衰减并含有较多的干扰 成分，通过安装在钻井套管 （ 导管 ） 表面和风险 井套管头处的传感器来感受并采集钻头破岩的振动 信号。随着破碎对象的改变，振动信号的特征会发 生变化； 随着定向井轨迹的变化和钻头距邻井距离 的不 同， 其 振 动 波 传 递 至 套 管 头 处 衰 减 也 有 不 同
1. 2
系统构成及信号特征判断
防碰监测系统基本构成如图 2 所示，包括压电 加速度传感器、同轴双屏蔽电缆、数据采集仪、计 算机和分析识别软件等。传感器采用低噪、高灵敏 类型，数据采集仪具有放大、滤波、积分和采样等 功能，信号采集分析软件用于完成多通道数据采 集、分析、特征识别及报警。 钻头冲击、破碎地层实际上是确定性振动系统 受到随机力的激励作用而产生的振动 ，可视为随机 振动，通过一定的概率分析、时域分析和频域分析
定向井防碰地面监测系统设计及现场试验
摘
要： 随着陆地和海上 油气勘探开发程度 的不断提 高 ， 丛式井和加 密井正变得越 来越普遍 ， 而受老 井网加 密调
整使 井间距 离更密、 老井测斜数据不 完整或不准确 、 井眼轨迹控 制产 生误差等 因素 的影响 ， 井过程 中易发 生井眼碰 钻 撞， 对钻井和 油田的正常生产构成 了潜在威胁 。根据振 动波 的传播机理， 出了一种定 向井防碰 地 面监测方法 ， 提 设计 了一套定向井防碰 地面监测 系统 。该 系统在渤海某海上 油田 区块钻井现场进行 了试验 ： 借助定 向井设 计、 随钻测量
资料 ， 用 Ｃ ｍｐｓ 软 件 分 析 了在 钻 井 与 邻 井 的 中心 距 ， 对 危 险 井段 进 行 了监 测 ； 据 采 集 到 的 钻 头振 动 信 号 特 利 ｏ ａｓ 并 根
征， 分析 了钻 头对危险井筒的趋近 。现场应用结果表 明： 头钻水泥塞过程 中， 钻 在钻井套 管头处振动信 号强度很大 ，
ｄ ｎ ２ ６ ５ ， ｉａ； ．ＣＮ００ＣＲｅｅ ｒ ｈ Ｉ ｓｉｕ ｅ，Ｂｅｊ ｎ １ ０ ２ ， ｉ ａ ｏ ｇ， ６ ５ ５ Ｃ矗 ｎ ２ ｓａ ｃ ｎ ｔ ｔ ｔ ｉｉ ｇ， ０ ０ ７ （ ｎ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｗ ｉ ｈ ｅ ｐ ｎ ｎ ｆｅ ｐ ｏ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆｏ ｓ ｏ ｅ ａ ｄ ｏ ｆｈ ｒ ｉ ｉ ｌ ｓ ｃｕ ｔ ｒ ｔ ｔ ｅ ｄ ｅ ｅ ｉ ｇ ｏ ｘ ｌ ｒ ｔｏ ｎ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｎ ｈ ｒ ｎ ｆｓ ｏ ｅｏ ｌ ｅｄ ， ｌ ｓ ｅ ｈ ｏ ｆ
Ｌ ｕＧａ ｇ ， ｕ ｉ ＨｅＢ ｏ ｈ ｎ ｚ ＴｉｎＪ 。 Ｇｅ ｇＺｈ ｎ ｉ ｉ ｎ ａ Ｓ ｎ Ｊｎ ， ａ ｓ ｅ ｇ ， ａ ｉ， ｎ ａ ｌ
井眼防碰实时监测技术在渤海某井组的应用
井眼防碰实时监测技术在渤海某井组的应用刘刚;夏向阳;刘闯;蔡鹏;杨超【摘要】渤海油田某井组是海上丛式井组中井数最多、密集程度最高的井组之一.为了防止井眼碰撞、窜槽,针对井间距小、井网密集、井斜大、周围老井井眼轨迹参数不准、井眼净化难度大等问题,此井组采用了表层防碰实时监测技术.结果表明:在三口井的危险井段实施了防碰实时监测,在隔水管打偏的A-14井预警一次,经过WMD测斜数据和COMPASS扫描计算出的中心距与传感器采集的振动信号特征存在明显的对应关系,验证了预警的准确性,并说明该方法可有效降低井眼碰撞风险.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)021【总页数】4页(P123-126)【关键词】丛式井;定向;防碰监测;振动【作者】刘刚;夏向阳;刘闯;蔡鹏;杨超【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;中海油能源发展安全环保分公司,天津300456;中海油能源发展安全环保分公司,天津300456【正文语种】中文【中图分类】TE243随着石油勘探开发进入深海，海上钻井技术面临越来越多的挑战，海上钻井作业受到海上平台的限制，作业空间狭小，通常采用丛式井作为主要井型。
丛式井加密技术推广后，由于井间距不断减小，丛式井碰撞问题日益凸显，井眼碰撞，轻者停产修井，造成经济损失，重者会造成原油泄漏，污染环境，甚至威胁到石油工人的生命安全。
因此，丛式井防碰一直是各大石油公司亟待解决的热点问题［1］。
现有常规防碰技术主要包括钻前防碰设计和钻井过程中各种井眼轨迹控制技术。
钻前防碰设计是丛式井防碰设计的基础，如果邻井井眼数据缺失或不全会给钻前设计带来很大困难，并且增加施工过程中井眼碰撞的风险。
井眼轨迹控制通常是建立在随钻测量仪测量数据准确的基础上，但是常用的钢制钻具组合在地下会被地磁场磁化产生局部磁场，磁力测量工具在该局部磁场和正常地磁场的合磁场下工作，其方位角输出值不能反映实际轨迹的真实值［2］。
钻头振动波井眼防碰监测系统及其现场试验
的油气井生产及钻井施工，目前已经在中国渤海、南海等区块进行了先导性试验，为井眼防碰技术发展提供了一条新的技术思路。
关键词 井眼防碰 套管监测 钻头振动 振动信号
加速度传感器
检测
Ｄ０１：１０．３７８７／ｉ．ｉｓｓｎ．１０００—０９７６．２０１３．０６．０１２
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２现场试验及结果分析
２．１试验情况简介 本次现场试验在ＷＺｌｌ—１Ｎ油田、南海四号平台 （井号以Ａ开头）进行，试验开始时ＷＺｌｌ－ＩＮ油田已 经完成开发井１３口，经过油藏地质研究计划再新钻３ 口开发井：Ａ１４Ｈ、Ａ１５、Ａ１６，本次试验主要监测Ａ１６ 井，利用Ｃｏｍｐａｓｓ进行防碰扫描选定Ａ１６井对应的监 测井为Ａ１、Ａ１３、Ａ７Ｈ井。通过采集软件Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒ采集相应的数据，系统设置的采样频率为
_基于HHT方法的钻头振动信号识别
（ 中国石油大学 （ 华东） 石油工程学院， 山东 青岛 266580 ）
要： 钻头振动波方法进行丛式井防碰监测时 ， 提出将 HHT 方法应用于钻头振动信号处理 ， 应用峭度准则及互
相关系数准则对钻头振动信号降噪 ， 通过时频分析准确识别出海上复杂条件下的钻头振动信号 。 首先应用 EMD （ Empirical Mode Decomposition） 分解可以将复杂环境下的钻头振动信号分解为固有模态分量 ， 采用峭度准则、 互相关系数准则筛 选信号进行降噪处理获得主要冲击成分并重组信号 ， 然后通过 Hilbert 变换得到边际谱和瞬时频率 ， 判断不同通道的信号 来源， 提取主要公共频段作为钻头振动信号 。根据滤波后信号的能量建立钻头趋近风险邻井的防碰模型 ， 通过海上丛式 井防碰的现场数据验证了该方法的有效性 。 关键词： 丛式井防碰； 振动信号； 希尔伯特黄变换； 降噪； 边际谱； 时频分析 中图分类号： TE242 文献标志码： A DOI： 10． 13465 / j． cnki． jvs． 2015． 12． 036
振 第 34 卷第 12 期
动
与
冲
击 Vol． 34 No． 12 2015
JOUＲNAL OF VIBＲATION AND SHOCK
基于 HHT 方法的钻头振动信号识别
刘
摘
刚 ，刘
闯 ，夏向阳，徐加兴，裴重潋
+∞
∫
－∞
x i （ τ） dτ信号
构造 x i （ t） 解析形式如下： z i （ t） = x i （ t） + iy i （ t） = A i （ t） e iθt 式中： A i （ t） = x i （ t） 槡
2
定向井防碰地面监测系统设计及现场实验
定向井防碰地面监测系统设计及现场实验随着陆地和海上油气勘探开发程度的不断提高，丛式井和加密井正变得越来越普遍，而受老井网加密调整使井间距离更密、老井测斜数据不完整或不准确、井眼轨迹控制产生误差等因素的影响，钻井过程中易发生井眼碰撞，对钻井和油田的正常生产构成了潜在威胁。
根据振动波的传播机理，提出了一种定向井防碰地面监测方法，设计了一套定向井防碰地面监测系统。
该系统在渤海某海上油田区块钻井现场进行了试验：借助定向井设计、随钻测量资料，利用Compass软件分析了在钻井与邻井的中心距，并对危险井段进行了监测；根据采集到的钻头振动信号特征，分析了钻头对危险井筒的趋近。
现场应用结果表明：钻头钻水泥塞过程中，在钻井套管头处振动信号强度很大，该系统可通过识别钻头振动信号判断钻头靠近或钻遇了邻井水泥环和套管；在邻井套管头采集到的钻头振动信号的振幅，随在钻井和邻井的中心距的增加呈一定的衰减关系，可根据该关系和分离系数判断井眼碰撞的风险。
标签：定向井；防碰；监测；丛式井；调整井；振动波；现场试验1 前言目前，国内海洋石油资源的勘探开发已进入了一个新阶段，随着老井网加密调整技术需求的不断提高，使得海上加密钻井技术得以广泛应用，井眼碰撞风险也急剧增加。
为保证海洋石油资源的安全、环保开发，确保钻井施工的顺利进行，课题组在国家重大专项“海上油田丛式井网整体加密及综合调整技术”和“多枝导流适度出砂及海上油田丛式井网整体加密钻采技术示范”的支持下，提出一种基于检测钻头运动诱发的振动信号识别井眼趋近生产井套管的方法，并在多口防碰风险很高的钻井施工中应用，保证了生产井的井筒安全，取得满意的效果。
2 定向井防碰地面监测系统设计2.1 设计思路与工作原理2.1.1 设计思路岩石压裂过程中的钻头会在井底产生振动波，振动波不仅会在钻柱中向上传播，还会通过地层和套管向钻井及临近井口传播。
通过安装在钻井和邻井套管头位置传感器的风险，并购浪潮钻头破碎岩石的振动（振动与钻井工具的研究有一定的相似之处），然后分析振动信号处理，当钻头振动信号振幅超过防碰报警阈值时，发出报警信息软件系统，监控系统来预测钻头和邻井套管碰撞风险函数。
基于MWD磁干扰的钻井防碰监测技术
1
磁性测量仪器的工作原理
但由于 大地坐标系的重力场是垂直于地表指向地心的 ， 地磁场方向一般情况下是指向地磁北极的 ，
各个地区地磁倾角的不同， 所以磁场方向与该点在地球上的位置有关。 根 据此原理， 以地磁场方向和大地重力方向以及它们的垂直方向 （ 右手法则 ） 为基准建立大地坐标系， 如图 1 所示。 轴 OD 与 OG 是重合的， 代表重力方 向； 轴 ON 是地磁场指向北极的方向在地平面上的表示 ； OF 代表地磁场的 方向； OF 和 ON 间的夹角 θ 称地磁倾角。此图可以确定某物体在空间的摆 放姿态。磁性测量仪器即采用了此方法， 下面对磁通门和加速度计作为测 量元件的测量仪器的原理进行介绍 。 磁通门的读数是磁场强度的相对值 ， 记为相对磁场强度 B t （ 无因次 ） 。 其定义为以磁通门点处的磁场强度去除当地的大地磁场强度 。 在钻井过程中， 必须找出仪器坐标系与大地坐标系的关系 ， 才能确定磁性测量仪器所在位置。 仪器 坐标系如图 2 所示， 以仪器的轴线方向代表 Z 轴， 在仪器的横截面上， 以仪器的基准方向代表 X 轴， 根据 右手法则， 可以确立仪器坐标系的 Y 轴。
基于 MWD 磁干扰的钻井防碰监测技术
摘要： 钻井防碰问题已经成为制约调整井、 丛式井等各种特殊类型钻井作业顺利进行的关键因素 。提出了一 48Ｒ 探管进行地面实验， 应用海蓝 YST得出了套管磁干 种根据邻井套管磁干扰进行防碰监测和预警的技术， 扰强度与仪器和套管距离的关系公式， 若应用现场防碰数据对该公式进行修正， 将对指导现场钻井防碰作业 具有重要意义。 关键词： 钻井； 防碰； 磁干扰； 磁参数
测得的数据 在磁性测量仪器里有三轴彼此互相相交的三个磁通门和加速度计组合 ， 在钻井工程中， Gy 、 Gz 和 Bx 、 By 、 Bz ， 即 分别为 G x 、 Gt = ［ Gx Bx Bt = ［ G t － 重力总量， 式中， 无因次； G x B z － 地磁三轴分量， 无因次。 Gt 、 B t 的计算公式见式（ 3 ） （ 4） 。 Gt = Bt = （ Gx 槡 （ B2 x 槡
基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术
衰 减 吸 收是 影 响球 面波 传播 的另 外 一个 主 要 因 素。 由于岩石对 波有 吸 收作 用 ，通过 求解黏 滞介质波
动 方程 的方法 ，可得 到 如下公 式 ：
Ａ ＝Ａ ｏ （ ３）
式 中， ——初始振 幅 ； Ａ ——传播距离为 ｒ 时的
振幅 ； （ ） ＿ ——吸 收系数。 厂 由式 （ ）可见 ，振动波在岩石 中传播时 ，能量随 ３
－
…
． ，
－
ｉ 一
～
图 １ 防碰监 测及预警 系统原理 示意图
由于 信 号在 套 管 中 的传 播 速度 比地 层 （ 筒 附 井
近 ） ，衰减小 ，因此 ，首先到 达传感器 的振动 波传 快
部分井浅层就需朝 Ｂ平 台方 向钻进 ，这使得防碰风险进
一
播通 道是套 管 。
的一 大 隐形杀 手 。防碰问题 已经成为 制约调整 、加密
式 中，ｅ ——单位面积的能量； ——波前面； Ｓ Ｅ——
总能量 ； ——扩散半 径 。 ｒ
因为能量 ｅ 与振 幅 的平方 成正 比 ，故 由式 （ ） １
可得 ： Ａ １ ∞４ 兀ｒ
（ ） 、２
钻井 作业顺 利 进行 的关键 因素 。
加密钻 采 ，进行 海上油 田的综合 调整开发 。由于受原
Ｅ
２
Ｓ ４
（ ） １
丁 【
井 眼测 斜数据精度 的影 响 ，部分 调整井将 面临井 眼误 差椭 圆相交 的作业条 件 。调 整井钻井 过程 中 ，如何监 测和控制 井眼轨迹 ，如何有效 穿过 或避开业 已存在 的 井 眼 ，是钻井 技术 中的难点 ，也是威 胁老井井 筒安全
——ｒ
基于经验模态分解的井眼防碰特征信号识别
基于经验模态分解的井眼防碰特征信号识别刘刚;杨全枝;陈超;何保生;耿站立【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2012(000)011【摘要】在采用钻头振动波方法进行丛式井防碰监测时，为了准确识别井下钻头振动信号，将 Hil-bert-Huang变换中的经验模态分解(EMD)应用于钻头信号的特征提取。
采用EMD方法可将复杂环境下的钻头振动加速度信号分解成固有模态分量，通过分析各分量的归一化峭度及能量分布，得到包含钻头冲击振动特征的4个IMF分量；对相应的特征IMF分量进行功率谱分析，得到钻头钻进时特征信号的频域范围。
当钻头趋近邻井套管时，信号特征分量将发生显著变化，通过海上丛式井防碰的现场试验数据分析验证了该方法的有效性。
【总页数】5页(P1-4,5)【作者】刘刚;杨全枝;陈超;何保生;耿站立【作者单位】中国石油大学华东石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学华东石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学华东石油工程学院,山东青岛266580;中海油研究总院开发研究院,北京100027;中海油研究总院开发研究院,北京100027【正文语种】中文【中图分类】TE927【相关文献】1.基于集合经验模态分解敏感固有模态函数选择算法的滚动轴承状态识别方法 [J], 王玉静;康守强;张云;刘学;姜义成;Mikulovich V. I.2.基于改进经验模态分解的HHT密集模态识别方法 [J], Rong Qinbiao;Liu Fang;Su Ce3.强噪声背景下滚动轴承微弱故障特征信号的经验模态分解 [J], 杨建华;韩帅;张帅;刘后广;唐超权4.经验模态分解火箭发动机多界面粘结检测特征信号提取技术 [J], 马媛;陈友兴;李鹏;王召巴;金永5.基于经验模态分解的航空器结构模态参数识别 [J], 张劲松;郑敏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于钻头运动诱发套管头振动信号检测的井眼防碰监测方法
钻井设计没有考虑 到加密调整 的需求 ， 早期 的测量
精 度 低导 致井 眼 扫描 精 度 低 ， 整 井设 计 预 留空 间 调
较小 ， 井下随钻测量信息反映滞后导致决策错误 ， 轨 迹控制手段产生偏差等等 ， 这些都可能导致邻井套 管面临作业钻头的碰撞的危险。而一旦未及时发现 井眼碰撞 ， 将会在很短的时间产生十分严重的后果 ， 轻 者 造成 套管 柱 的变 形 ， 重者 钻穿 套 管 ， 引发 严重 的
碰监 测 系统 的技 术思 路 。
以三 口丛式井 为例 ， 明井眼 防碰系统的设计 说
［ 基金项 目】 国家科技重大专项子课题研 究项 目（ ０ ８ Ｘ ５ ２ ０ ４ ０ ６ ２０ Ｚ ０ ０ ７ ０ ２ １ ２ ０ Ｚ ０ ０ ４－ ０ — ０ ，０ ８ Ｘ ５ ５ — ０ —１ ）
［ 作者简 介］ 何保生 （９２ ）男 ， １７一 ， 河南潢川县人 ， 高级工程师 ， 主要从事 油气井钻完井 、 采油方面 的科研工作 ； ｍ ｉ ｈｂｈ ｎｏ．ｏ ．ｎ Ｅ— ａ ：ｅｓ＠ｃｏｃｃｍ ｃ ｌ
基于钻头运 动诱发套 管头振动信 号检测 的 井 眼 防碰 监 测 方 法
何 保 生 ，刘 刚 ，王 平 双 ，文 敏
（ ．中海油研 究总院开发研究院 ， １ 北京 １０ ２ ； ．中国石油大学 （ ００７ ２ 华东 ） 油工程学院 ， 石 山东青岛 ２ ６ ５ ） ６ ５ ５
［ 摘要 ］ 针对海上加密 调整 井的井 眼防碰 问题 ， 设计 了一 种井 简 防碰地 面监 测 预警 系统 ， 并进 行 了现 场应 用 。系统利 用加速度传感器监测 通过套管传输到套 管头上 的钻 头振 动信号 ， 利用 数据采 集 、 号滤波放 大 和 信 专 门编制 的监测软件记 录分 析传 感器 采集 的振动 信号 ， 通过 对信 号 的时域 、 频域分 析 ， 确定 信号特 征 与井 间 相对距 离的关 系 ， 识别 钻头对风险井套 管 的趋近 或碰撞 。应 用结果 表 明 ， 系统 能有效感 知通 过地 层 、 管 该 套
基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术
涠洲１ ｌ—ＩＮ单趟钻三筒取心层位为Ｌ。ｌＶ下，井段 为２０８０．２５～２１０４．９９ｍ，进尺２４．７４ｍ，岩心长２４．７２ｍ，
（上接第３３页）
之比。从图４可以看出，中心距越小，即钻头离邻井 距离越近，幅值比越大，即邻井振动信号越强。
防碰监测及预警系统在绥中３“ｌ、旅大２７—２、秦 皇岛３２—６油田取得了良好的应用。通过对６口正钻井 和２１口邻井的监测，系统共报警两次，成功避免了碰 撞事故的发生，３个油田钻井碰撞事故数均为０。
４ 结论
（１）提出了一种采用加速度传感器，通过检测套 管振动信号识别钻头碰撞（趋近）邻井套管的方法，并 实际验证了该方法的可行性和有效性。
（２）创建了通过分析套管振动信号特征，识别钻 头碰撞（趋近）监测井套管的丛式井组防碰监测及预
万方数据
收获率为９９．９９％，纯钻时间７．５７ｈ，平均机械钻速为 ３．２７ｍ／ｈ，圆满完成了地质取心任务。
衰减吸收是影响球面波传播的另外一个主要因 素。由于岩石对波有吸收作用，通过求解黏滞介质波 动方程的方法，可得到如下公式：
振幅式；中口，（／彳。）１呐收始系Ａ振，数幅＝一。；。彳矿咖，——传播距离为，时（的３）
由式（３）可见，振动波在岩石中传播时，能量随 传播距离变化按指数形式衰减。
＋基金项目：国家科技重大专项“海上稠油油田高效开发示范工程”，项目编号：２００８ＺＸ０５０５７。 第一作者简介：刘亚军，１９７７年生，２００２年毕业于中国石油大学（北京）石油工程专业，工程师，现任中海油能源发展监督 监理技术公司钻井总监、中海石油（中国）有限公司天津分公司钻井部ＳＥ３６－１ Ｉ期与ＬＤ５－２Ｂ调整开发钻完井项目副经理。Ｅ—ｍａｉｌ： ｌｉｙｊ５＠ｃｎｏｏｃ．ｃｏｍ．ｃａ
４ 结论
钻头振动波井眼防碰监测系统及其现场试验
钻头振动波井眼防碰监测系统及其现场试验刘刚;杨全枝;董照显;何保生;耿站立【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2013(033)006【摘要】现有的井眼防碰检测技术均建立在井眼测量轨迹数据和钻进中对异常现象判断的基础上,由于各项数据误差及井下情况的不确定性,致使防碰作业存在极高的危险性.为此,根据现场实际防碰钻进时人工监听方法得到的启发,研发了钻头振动波井眼防碰监测系统:通过安装在套管顶端的加速度传感器采集井下沿套管传播的钻头破岩时产生的振动信号,并对信号进行特征提取以判断钻头趋近邻井套管的程度,利用计算分析软件实现信号特征显示,当信号特征值超过门限值时实现报警,由定向井工程师及时进行井眼防碰扫描,决定是否改变井眼轨迹.通过对比分析不同工况下监测系统采集振动信号的时域特点,认识到钻头钻速、钻压对钻头振动信号的影响,经过频域分析得到钻头振动信号的频域范围在200～400 Hz.该监测系统操作简单、不影响正常的油气井生产及钻井施工,目前已经在中国渤海、南海等区块进行了先导性试验,为井眼防碰技术发展提供了一条新的技术思路.【总页数】5页(P66-70)【作者】刘刚;杨全枝;董照显;何保生;耿站立【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油大学(华东)石油工程学院;中海油研究总院开发研究院;中海油研究总院开发研究院【正文语种】中文【相关文献】1.基于钻头运动诱发套管头振动信号检测的井眼防碰监测方法 [J], 何保生;刘刚;王平双;文敏2.小波包变换在井眼防碰振动信号处理中的应用 [J], 刘刚;杨全枝;韩金良;何保生;耿站立;蔡鹏3.定向井防碰地面监测系统设计及现场试验 [J], 刘刚;孙金;何宝生;田冀;耿占力4.海上多平台井眼防碰监测系统设计 [J], 刘刚;杨超;蔡鹏;刘澎涛5.流动地震仪检测钻头振动信号的现场试验 [J], 杨微;葛洪魁;宁靖;林建民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
侧钻井钻井过程中的井眼防碰计算及应用
1615.00 1614.85 永8-侧斜42 实钻 1612.23 1591.50 50.22 261.35 27.70
1885.00 1860.44 永8-侧斜53 实钻 1864.67 1858.51 8.38 116.09 13.31
1615.00 1614.85 永8-更斜42 实钻 1606.35 1601.70 36.06 252.36 21.37
1705.00 1703.01 永8-平12 实钻 1786.05 1765.08 154.33 144.01 -23.72
1885.00 1860.44 永8-平13 实钻 1864.72 1841.75 62.81 68.52 17.31
1885.00 1860.44 永8-平15 实钻 1875.79 1849.98 50.96 303.35 11.85
图2 斜向器斜面方向与待钻井眼方向正好相反
汇报内容
一 论文研究的目的及意义 二 碰撞形式分类及原因分析 三 防碰扫描原理及参数计算 四 防碰计算在现场的应用 五 结论及建议
三、防碰扫描原理及参数计算
防碰扫描是在钻井过程中预 防井眼碰撞，进行科学决策的 基础。该技术已形成最近距离 扫描、法面距离扫描以及平面 距离扫描等方法。法面距离扫 描主要用于比较实钻轨迹与设 计轨迹之间的偏离程度，水平 距离扫描常用于计算定向井的 靶心距，最近距离扫描主要用 于邻井防碰和救援井中靶。由 于侧钻井一般为斜井，故以下 将用最近距离扫描法进行说明。
• 整体施工方案的确定
四、防碰计算在现场的应用
• 实时轨迹防碰计算
─保证实测点数据的 准确性，以便及时 地比对邻井的实钻 数据。
─随时根据实钻轨迹 进行防碰扫描计算， 预测下一井段的防 碰情况，及时调整 轨迹。
基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术
基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术
刘亚军;张海;张晓诚;刘刚
【期刊名称】《石油科技论坛》
【年(卷),期】2010(029)005
【摘要】为了防止丛式钻井碰撞事故的发生,设计了丛式钻井防碰监测及预警系统.系统利用振动波在地层中的传播规律和特点,研发出根据振动信号的变化来预测钻头是否趋近或碰撞风险邻井的办法,并开发出相应的软、硬件设备.在渤海油田的现场应用证明,浅层钻井防碰监测及预警效果良好,可有效提高丛式井钻井效率.
【总页数】3页(P32-33,47)
【作者】刘亚军;张海;张晓诚;刘刚
【作者单位】中海油能源发展监督监理技术公司;中海油能源发展监督监理技术公司;中海石油(中国)有限公司天津分公司;中国石油大学(华东)
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于MWD磁干扰的钻井防碰监测技术 [J], 刘洪亮;孙伟良
2.基于钻头运动诱发套管头振动信号检测的井眼防碰监测方法 [J], 何保生;刘刚;王平双;文敏
3.钻头振动波井眼防碰监测系统及其现场试验 [J], 刘刚;杨全枝;董照显;何保生;耿站立
4.基于调频连续波雷达的高铁桥梁振动监测方法 [J], 刘淑一;贾岩;邸昊;禚一;高卓妍;张祥坤
5.基于振动监测和支持向量机的海洋石油离心泵智能预警技术研究 [J], 秦小刚;杨风允;王文祥;徐正海
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［基金项目】国家科技重大专项子课题研究项目（２００８ＺＸ０５０２４－００４－００６，２００８ＺＸ０５０５７－００２一１１）
［作者简介】何保生（１９７２一），男，河南潢川县人，高级工程师，主要从事油气井钻完井、采油方面的科研工作；Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｅｂａｈ＠ｃｒｌｏｏｃ．嗍．∞
７４中国工程科学
万方数据
原理。钻头与２号井简套管发生碰撞（如图１所 不）．由于Ｉ号井简中工作的钻头距２号井筒的距 离小于距３号井筒的距离，振动通过地层波传播到 ２号，｛：筒的时间小于传播到３号非筒的时间．即１＇１２ 小于Ｔ１３。由于钻头‘ｊ ２号井筒发生碰撞，圜此碰 掩后的震动强度远运大于通过地层传播到３号井简 套管上的震动强度，振动信号经过处理后特征量相 关强度Ｈ１２亦远远大于Ｈ１３．因此．从波形分析上 能够判断出是否已经与井筒发生了碰撞，如图２所
ｃｅｎｔｅｒ
ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｌｌ ａｎｄ １．４
表２和图７给出了Ｌ１１趋近Ｌ５时，振动信号的 频域相对幅值随中心距变化。可以看出，随着在钻 井钻头对风险邻井井筒的趋近，频域信号的相对幅 值有明确的增大趋势。多口井的监测数据分析结果 表明，井间中心距越小，风险邻井的频域幅值越大。
表２
吣锣
Ｅ）＝音≥．Ｒ．；（，）Ｐ＋
Ｊ’ｒ。０
（４）
式（４）中ｓ。。（＾）为自功率谱密度幽散Ｒ。。‘，＇为对 应的自相关函数＝ 实现随机振动信号的功串谱密度崩敛估计的一 种简单方法是先耐振动信号进行傅里叶变换，然后 取变换结果蛹值的平方，井除以谚信号数据的长度 作为功率谱密度匝数的一个估计．丧达式为：
Ｉ
基于钻头运动诱发套管头振动信号检测的 井眼防碰监测方法
何保生１，刘
刚２，王平双１，文敏１
（１．中海油研究总院开发研究院，北京１０００２７；２．中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛２６６５５５）
［摘要］
针对海上加密调整井的井眼防碰问题，设计了一种井筒防碰地面监测预警系统，并进行了现场应
用。系统利用加速度传感器监测通过套管传输到套管头上的钻头振动信号，利用数据采集、信号滤波放大和 专门编制的监测软件记录分析传感器采集的振动信号，通过对信号的时域、频域分析，确定信号特征与井间 相对距离的关系，识别钻头对风险井套管的趋近或碰撞。应用结果表明，该系统能有效感知通过地层、套管 传输到套管头的钻头振动信号，并能识别出钻头对风险邻井的趋近，验证了系统在设计理论和方法上的可行 性，为加密调整井的井眼防碰、保证钻井安全提供了一种有效的手段。 ［关键词】调整井；防碰；风险井；振动信号；时域分析；频域分析 ［中图分类号］ＴＥ２４２；ＴＥ５２【文献标识码］Ａ【文章编号］ １００９—１７４２（２０１１）０５－００７４—０５
ｆ：号有明确的对应关系。由于存钻井钴头运动引起 的振动信号，可以罐过地层和毒管传递到风险邻升， 并引起风院邻井监测刊的振动信号幅值改变，
目５
Ｆｉｇ ５
ｉｌ＃ｎｍＩ■＃∞目《＊｛
Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ
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ＬＩ＃ｎⅡＬ４＃＊Ｈ目口｝“Ⅲ＆十ｏ＆§＊ 表】和罔６培ｍ丁Ｉｌ趋近１４时的枢对振幅随 中心距变化可“看出．随著柱钻井钻头对风险邻Ｔａｂｌｔｌ ｎ哪ｄｏｎｕｌｉｎ帅ｐｌｉｌｕｄｅ ｃｈｎｎｇｌｎｇ ｂｙ帆¨
【收稿日期】２０１０一０３—０５
污染、油气井生产受影响等严重后果，造成十分巨大 的经济损失。为此，本文介绍了一种海洋丛式井组 井眼防碰地面监测方法及装备，该方法可以实现在 钻井过程中实时监测在钻井钻头对风险邻井套管的 趋近趋势和产生碰撞的可能，在钻头碰到邻井套管 之前进行预警或报警，对避免调整井钻井施工可能 对邻井套管构成的伤害，保障钻井作业安全和调整 井的顺利施工意义重大。
ｏｎ
ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃａｓｉｎｇ
ｈｅａｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｄｒｉｌｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ
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（１．ＣＮＯＯＣ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２７，Ｃｈｉｎａ；
ｇｅｔｔｉｎｇ
ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｏｆｆｓｈｏｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ｗｅｌｌ ｃｏｌｌｉ－
ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｇｒｅａｔｌｙ．Ｗｅｌｌ ａｎｔｉ．ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ａｎ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓ。 ｂａｓｅｄ
１前言
目前，海洋石油资源的勘探开发已进入了一个 新阶段，许多需要在老井网布置下加密开采的油田， 面临着越来越大的井眼碰撞风险。钻井防碰和井筒 安全问题已成为今后一段时间国内外定向井、调整 井安全作业的关键问题。特别是海上油田需要充分 依托现有海上生产设施、海管和终端等资源时，在原 控区域内打加密调整井，部分调整井将面临井眼误 差椭圆相交的作业条件，防碰问题尤为突出。 实际施工中，导致井眼相碰的原因很多，如早期 钻井设计没有考虑到加密调整的需求，早期的测量 精度低导致井眼扫描精度低，调整井设计预留空间 较小，井下随钻测量信息反映滞后导致决策错误，轨 迹控制手段产生偏差等等，这些都可能导致邻井套 管面临作业钻头的碰撞的危险。而一旦未及时发现 井眼碰撞，将会在很短的时间产生十分严重的后果， 轻者造成套管柱的变形，重者钻穿套管，引发严重的 井眼事故。若被碰撞井为生产井，则可能导致环境
参考文献
［１］唐志军，刘天书．定向井预测井眼防碰扫描法［Ｊ］．石油钻探 技术，１９９２，２０（４）：２７—３０． ［２］殷祥超．振动理论与测试技术［Ｍ］．北京：中国矿业大学出版 社。２００７：４—１６． ［３］吴描．现代工程信号处理及应用［Ｍ］．北京：中国矿业大学 出版社，１９９７：８８—１２１．
ｃｈａｎｇｉｎｇ ｂｙ ｗｅｌｌ
５。‘＾）２丽上ｘ。（女，ｘ‘（女，
。１
（５）
４现场试验数据分析
田５为１．１并趋近１４井的时域信弓特征从圈
５
式（５）中＾（＾）为随机振动信号的第ｉ个数据段 的傅里叶变换；Ｙ．（＾）为Ｊ（＾）的共轭复数；Ｍ为 平均次数 由此ａｆ知，ｓ，。（几曲线和频率轴所包围的面秘 就是信号的平均功率而ｓ。，（ｎ就表示了信号的 功率按频率分市的规律１。 ｎｒ以看出．风险邻井的时域信号与徉钻井的时域
ｏｎ
ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃａｓｉｎｇ ｈｅａｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｂｕｉｌｄ ａｎｄ ｒｉｇ－ｓｉｔｅ ｕｔｉｌｉｚｅｄ．
２防碰监测系统设计思路
目前，防碰检测技术主要有四种：ａ．电测与井 眼轨迹扫描；ｂ．随钻测量技术与井眼轨迹扫描； ｃ．井下电磁测量；ｄ．井口监听…。前三种为预测 技术，由于受实时性的影响，有时难以满足施工需 求。第四种为监测技术，但受人员的经验及环境影 响大，工作强度大、责任重。为改善解决防碰监测的 难题，结合第四种方法的基本原理和思路，提出了防 碰监测系统的技术思路。 以三口丛式井为例，说明井眼防碰系统的设计
§Ｉ
井计简的趋近．时域信号的相对幅值有明确的增大 趋势、多口井监删数据的舒析结果表明．随井问距 越小，风险邻井时城信号的幅值增大。
舢ｒ“－栅ｈ㈣０１
ａｎｄｌ４
万方数据
续表 中心距／ｍ
８．９３ １３．３４ ２２．４ ３０ ４３．６
相对振幅
０．６８５ ８９９４ ０．５７１ ４６２ ５ ０．４５７ ０．４３６ ０．４２７ ８６７ ４ ６８０ ２ １３４ ２
币。
目３＃目ｍ№《ｂ咐蚰ｄ∞ｉｌｉｓｉｏｎｍｏｘｔｉｔｏｒ
ｓｙｓｔｅｍ
３防碰监漫Ｉ信号分析处理程序设计原理
钻＊齿冲击、破碎地层过程实际上足确定性振 动系统受到随机力的激励作用而产生的振动，可视 为随机振动，因此采用时域分析、颇域舟析等进行信
号处理２＝
３ｌ时域分析 时域特征值分析是对振动太小随时间变化的波 形的分析。时域升析主要包括均值、均方值、方差分 析等。 均值是随机振动信号变化的中心趋势。对于防 碰监测信号其表达式可写为：
固６
Ｆｉｇ．６
Ｕ趋近ＩＡ时的相对振幅随中心距变化
Ｒｅｌａｔｉｖｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
集、分析，评价在钻井钻头对风险邻井趋近的方法， 研发完成了定向井防碰地面监测系统。实际应用结 果表明： １）当钻头趋近风险井套管时，该井套管头振动 信号的时域幅值会相应增大；振动信号的时域幅值 与中心距有明确的对应关系； ２）当钻头趋近风险井套管时，该井套管头振动 信号的频域幅值会相应增大；振动信号的频域幅值 与中心距有明确的对应关系； ３）现场多口井的应用结果验证了井眼防碰地 面监测系统在理路和方法上的可行性，为加密调整 井的钻井防碰和危险井段的安全钻进提供了一种有 效的监测手段。
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｓｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｈｕａｄｏｎｇ），
Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５５５，Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｎｏｗ
ｓｉｏｎ ｔｅｍ
ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ
ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｗｅｌｌｓ
ａｌｅ
Ⅳ
１
ｐ，＝吉∑ｚ（女）
测信号样本函数．
目２
Ｆｉｇ ２
（１）
式（Ｉ）中．Ⅳ为采集到的总的数据个数；ｘ（ｋ）为监
ｍ镕＆Ⅳ＃《ｉ２目
ｂｖ
均方值以是信号振动的平均能量（功率）的
种表达。套管共振动信号均方值町表示为：
Ｗａｖｅ血Ⅱａｃｋｒ ｏｒｗ“如ｎ
ｖｌｂｍｔｉｏｎ
ｃｏ［１ｌｓｉｏｎ
躬＝丽１；．，（¨
基于ｕ｝：设想．笔者设计了监测系统和分析方 法．该系统： １）应能够测量到各风险井套管央振动信号的 基本特征，特别是振动信号强度的变化．应能够根据 信号强度的强弱．判断钻头距风险井套管闯的距离； ２）能够连续采集井识别钻头在特殊条件下（钻 进、蹩跳）产生的特征点信号，并能够识别出该信号 到达各套管的时间． ３）系统的主要构成为：数据采集器、加建度传 感器、计算机、分析软件等（见圈３）。 ３．２频域分析 振动信号方差可表示为：