钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

第37卷第5期2009年9月
石油钻探技术
P ET RO LEU M D RIL LI NG T ECHN IQ U ES
Vo l137,N o15
Sep.,2009
收稿日期:2009-04-22;改回日期:2009-08-03
基金项目:国家高技术研究发展计划(/8630计划)项目/随钻地
震0(2006AA06A108)资助
作者简介:宿雪(1985)),男,山东泰安人,2007年毕业于中国
石油大学(华东)石油工程专业,在读硕士研究生。

联系电话:(010)68729459
/8630计划专栏
钻柱振动录井的研究现状及发展趋势
宿雪1,2葛洪魁1杨微1崔士波1韩来聚3魏茂安3 (11中国地震局地球物理研究所,北京100081;21中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061;3胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)
摘要:钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,这种振动携带了井下钻头、所钻地层和钻柱的信息。

利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井。

对钻柱振动录井技术的基本原理、钻柱振动特征、测量仪器、数据处理方法和存在的主要问题及发展趋势作了系统分析,认为:钻柱振动录井可用于井下工况监测、地层评价与钻前预测,具有很好的发展前景;钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析、独立成分分析等;无线传输、多参数、多分量钻柱振动测量手段的应用将有助于信号分析和井下信息提取。

关键词:钻柱振动;录井;数据处理;井下诊断;钻前预测
中图分类号:T E142文献标识码:B文章编号:1001-0890(2009)05-0015-05
钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动[1],这些振动携带了钻柱、钻头和所钻地层的信息。

在钻井机械系统中,钻柱是钻进的主要部件,是井底与地面的刚性连接通道,它包括井下钻具组合、钻杆以及吊悬系统等,其对声波信号低衰减的传递特性使钻柱成为连接井底与地面的高效信息通道。

利用在钻柱顶部采集到的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井。

钻柱振动录井的主要用途有:1)井下诊断,如钻头磨损情况、卡钻、粘滑等;2)地层评价;3)钻前诊断;
4)为随钻地震(SWD)提供震源信息。

钻柱振动录井不需要中断钻井作业,不用任何专门的井下工具,能实时测量并获得井下信息,具有简便高效的优势,且采用钻柱振动录井可降低钻井成本10%~30%[2]。

钻柱振动录井涉及钻井工程、振动测量和信息处理,属于多学科交叉领域,笔者将对钻柱振动录井的研究现状与发展趋势进行分析。

1国内外研究现状
国外早在20世纪60年代就已开始研究钻柱振动录井技术,1971年Lutz等人[2]开发了一套称为/瞬态录井(snap lo g)0的系统,并将钻柱轴向振动的瞬时峰值(snap)曲线与声波、伽马、中子等测井曲线进行了对比研究,进行了岩石硬度等的判断,取得了一定效果。

1984年ARCO公司组织研制了高级钻柱分析与测量系统ADAM S(adv anced drill str ing analysis and measurem ent system),利用该系统可以进行钻井参数的优化调整。

1988年Elf公司研制了钻进动态控制装置DDCU(drilling dy-nam ics co ntro l unit),设计测量井深超过4500m,可用来监测井下工况。

目前Elf公司研制出的井口动力接头能够测量来自钻头、下部钻具组合以及钻柱的共振现象(轴向、扭转以及侧向振动)。

1999年,Greg M yers等人[3]在印度洋一次大洋科学钻探中,设计了一种无线钻柱振动采集系统来探测岩性变化。

我国高岩[4]、刘志国[5-6]和马斐[7]等人对钻柱振动及钻柱振动录井进行了卓有成效的探索。

高岩等人[8]还研制出了钻柱振动信号采集卡箍,建立了成熟的测量系统。

但总体来看,目前国内的钻柱振动录井多数还是通过扭矩仪、大钩载荷获得研究数据,
采用谱分析的方法分析钻柱顶部振动信号,这样就存在一些问题:1)观测系统还不能满足现场观测的要求,有线测量系统施工难度大,传感器数量少;2)信号分析技术较为薄弱,主要是利用钻柱顶部采集到的信息,考虑钻柱传播效应不足,没有延拓到井下,提取的信息失真严重,信息量偏少。

2 关键技术问题及发展趋势
211 钻头的振动特征及影响因素
在钻井过程中,引起钻柱振动原因很复杂,包括钻头破碎岩石、钻柱共振、钻井泵脉冲、钻柱与井壁的碰撞等。

现场分析表明,钻头破碎岩石产生的振动是引起钻柱振动最主要的原因。

钻头在旋转破岩的过程中,还会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动。

轴向振动是由于钻头牙齿间歇冲击岩石而引起的钻柱沿其轴向的伸缩运动。

横向振动是指钻柱中心偏离井眼中心的振动,产生该种振动的原因之一是钻柱轴向振动引起了横向位移,二是钻柱绕井眼中心的涡动。

扭转振动是由于转速变化所引起的钻柱绕其中心线的旋转运动。

钻柱振动受钻头类型的影响很大。

一般情况下,牙轮钻头在破岩过程中会产生比较强的轴向振动信号[9],而PDC 钻头由于其破岩机理主要靠剪切破坏,因此轴向振动相对较小,扭转振动较大[10]。

牙轮钻头在破碎岩石时,冲击力产生纵波(P 波),它沿着井轴方向传播,同时产生横波分量(SV 波),它沿着井底平面径向(垂直井轴)传播,钻头的旋转力产生横波水平分量(SH 波),它沿着井底平面径向传播,其质点方向与SV 波的质点方向垂直。

SH 波的振幅很小,对于典型的钻头和地层,SH 波的位移要比SV 波大约小三个数量级,如图1
所示。

图1 钻头体波传播示意
钻头震源产生应力波的频率很宽,且具有广阔的内涵,其中既有钻头的信息、地层的信息,同时也含有钻柱本身的信息。

高岩[8]根据频率将钻柱振动信号分为低、中、高三个钻头信息频段:低频段(0~25H z)主要反映了三牙轮钻头由于三脊状井底引起的1、2和3倍转速信号及其谐波;中频段(25~200H 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分;高频段(200~10000H z)主要为不同地层与钻柱作用时产生的声波/噪声0,它能反映出地层的变化,从而为地层分层提供信息。

除钻头类型外,钻柱振动还受地层特性、钻头转速、钻压、钻头的磨损程度、牙轮特征等其他因素的影响。

其中,岩性对钻柱的振动特性有直接的影响,岩性越硬,振动信号越强;而转速、钻压等钻井参数则可以通过影响钻头与岩性的耦合来影响钻柱振动。

例如,在钻头产生的能量不变的情况下,钻速越快地面得到的信号能量越小[11];新钻头会产生比已磨损钻头更强的振动,牙轮的排列等也会在钻柱振动中体现出来
[12]。

此外,由于三牙轮钻头的结构与旋转工作方式,钻头振动还有一个重要特征即周期性。

这种周期性为信号识别提供了重要依据。

总体上看,钻柱振动是一种非稳态连续随机振动,不同时刻的振动信号重叠在一起,增加了分析的难度。

212 钻头振动信号沿钻柱的传播
由于钻头振动是通过钻柱传至钻柱的顶部,因此,接收到的信号存在很强的钻柱传播效应,主要表现为:1)实际钻柱是由一系列不同尺寸和机械特性的部分组成的(如钻杆、接头等),各个部分之间存在波阻抗差异,钻头振动信号传播到这些界面处就会产生反射,形成钻柱多次波。

因此地面接收到的信号是多次波与透射波叠加在一起,波形复杂;2)钻杆接头使钻柱成为周期性结构物,钻头振动波在钻柱传播过程中除了衰减外还引起带阻效应,Drum -heller [13]和H y un Yup Lee [14]研究了钻柱带阻现象,认为30~40H z 的振动信号衰减较大,波形失真;3)由于钻柱系统具有一定的固有频率,当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时,钻柱将处于共振状态,引起跳钻等,此时钻柱内的交变应力和振幅会变大,从而导致断裂或粘扣,对钻井工程造成很大的危害;4)在钻柱顶端采集到的信号与钻头振动信号
存在时间差,对于随钻地震等需要准确知道震源时刻的情况,需要进行钻柱传播时差校正。

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在钻柱顶端采集到的振动信号除了含有上述有用信息外,还混杂有井场周围的噪音。

噪音可以分成两种:一种是地面机械和钻井泵等噪音由大钩和水龙带传播至钻柱;一种是转盘、游动滑车、水龙头以及其他井架设备所产生的噪音[15]。

总之,钻柱振动信号具有以下特点:1)钻柱振动是一种非稳态连续随机振动,具有较宽的频带;2)具有与三牙轮钻头结构和旋转工作方式有关的周期性;3)钻柱传播效应强,截面变化引起多次波,不同时刻振动信号重叠在一起,接头会产带阻效应;4)噪音来源广,能量强,信噪比低;5)钻柱顶端采集到的信号是经过钻柱传播效应滤波后的信号,信息失真严重,信号处理难度很大。

3钻柱振动的测量
高质量的原始数据记录是获得好钻柱振动录井结果的前提。

钻井现场环境恶劣,条件较差,对测量仪器和测量方法提出了很高的要求,不仅要能获得高质量的数据,而且还要能适应现场复杂的环境。

这就需要考虑传感器的类型、信号传输的方式、参数的选择、仪器安装位置等因素。

钻柱振动测量系统一般包括传感器和数据采集系统两部分。

传感器可采用压力计、应变计、加速度传感器等,通常安装在方钻杆上或者水龙头的下部。

目前钻柱振动信号测量系统以轴向振动测量为主,主要为有线传输。

传感器获得的数据通过电缆传至数据采集系统,分析人员对采集到的数据进行分析和解释,获得井下动态信息,从而指导钻井作业。

虽然目前的测量系统能够获得不错的数据,但是还存在以下问题:
1)有线测量系统施工难度大。

虽然有线传输的数据质量高,但由于钻井现场环境的限制,50~100 m长的多芯电缆比较笨重,安装施工工作量大,对正常作业也有一定影响。

2)测量参数较少,扭转振动测量方面不足。

虽然在方钻杆上安装的传感器可以获得扭转振动信息,但也会对钻台作业产生一定影响。

随着测量技术的发展,多传感器、多分量、无线传输将是钻柱振动录井的发展趋势。

采用多组、多种类型、多分量传感器测量,可以获得多组不同测量参数,这将有利于后续数据处理中的去噪、提高信噪比、提取振动信号等。

无线传输的应用使传感器、数据采集器、电池和无线传输系统集成在一个很小的空间里成为可能,从而大大缩小了测量系统的尺寸,方便安装,简化作业,有利于钻柱振动录井的推广应用。

观测系统小型化、电池容量、数据存储容量以及无线传输系统的传输稳定性、传输速率、传输距离是决定无线传输观测方式成败的关键。

4钻柱振动信号数据处理方法
利用钻柱振动录井数据,可以获得钻头的工况(如磨损)、钻柱的工况(如磨损、与井壁接触等)等信息,还可能获得井底反射系数、钻头前方反射信息,实现地震特性评价和钻前预测。

但由于目前信号分析能力不足,有些振动信息没能充分利用。

随着先进的测量系统和处理方法的引入,钻柱录井技术将获得更丰富、更准确的井下信息,在井下工况监测、故障诊断、地层评价和钻前预测等方面获得更广泛的应用。

钻柱的非稳态连续随机振动和钻柱传播效应使钻柱振动录井信息失真严重,信号处理难度很大。

钻柱顶端测得的信号不仅受到钻头、所钻地层等因素的影响,还受到钻柱机械特性、钻柱所处边界条件、井场条件等传播因素和环境噪音的影响。

钻柱振动信号分析要求是从低信噪比、强畸变的振动信号中提取井下信息,将钻头和钻柱振动信息分离,这也是钻柱振动信号数据处理的主要任务。

随着信号分析新方法的发展,引入先进的信号处理方法,获得更准确、更丰富的信息将是钻柱振动信号数据处理的发展趋势。

随钻地震等领域研究人员采用的多种信号处理方法,可供钻柱振动录井数据的处理借鉴。

411去噪
钻柱顶端采集到的振动信号不但包含了来自钻头的信号,同时,还存在着一些不容忽视的噪音干扰,主要包括:
1)转盘旋转引起的附加钻柱振动。

转盘是距离钻柱顶端最近的振动源,对参考信号带来较强的噪音,这种干扰具有周期性特征,并与转速有关,主要引起扭转振动,对垂向振动也有较大影响。

2)钻井泵的振动。

钻井泵柱塞往复运动驱动钻井液从钻头喷嘴喷出,冲击井底,直接影响钻头振动。

同时,钻井泵的泵冲振动也通过水龙带传递到钻柱,是钻柱振动测量的一个主要噪音源。

3)井场其他机械的振动。

井架、柴油机、发电机等机械的振动通过井架传导到钻柱上,是另外一个
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噪音源。

Rector[16]指出并分析了旋转钻进时水龙头提环和水龙头摩擦产生的钻柱噪音,建议用三分量加速度传感器来分离这种噪声。

Poletto等[17]讨论了利用多个传感器观测数据的统计独立性分离钻头信号和井场噪音。

陆斌等[18]利用小波变换对钻柱振动信号进行多分辨分析,获得了优势频率范围、周期和衰减等主要特征,同时利用有效信号和各种噪音带有的周期性或时延差异等时间结构特征,引入相关域小波变换方法进行钻柱振动信号检测和分析,取得了较好的噪音压制效果。

陆斌等还尝试将独立成分分析应用到钻柱振动信噪分离中,结果表明独立成分分析是提高钻柱振动数据处理质量的一个很有前景的方法。

412钻头信号与钻柱传播效应的分离
钻柱顶端振动信号包含着钻头振动与钻柱传播效应,通过信号分析方法,将钻头信号与钻柱传播效应分离,可以分别获得钻头和钻柱的动态信息。

对于钻柱的传播效应,研究人员从理论推导、数值模拟和现场试验三个方面进行了研究。

目前理论研究中钻柱模型一般都简化为杆,先得出钻杆无限长情况下钻柱的振动情况,然后再考虑有限长的钻柱传播效应。

数值模拟比较常用的分析方法有有限元分析法、分离变量法等。

基于观测数据,利用理论模型和数据分析,可以实现钻头振动信号与钻柱传播效应的分离。

Rector[16]介绍了一种单边反褶积法,其基本思路是假设钻头信号为白噪信号,且钻柱脉冲相应为最小相位,由记录信号单边反褶积,之后与原始记录信号进行相关。

利用单边反褶积自相关可以得到钻柱的脉冲响应(传播特性)。

笔者利用单边反褶积自相关进行了钻柱多次波成像(见图2),获得了较好的效果。

利用该成像结果可以获得钻头振动应力波沿钻柱的传播速度,分离钻头信号,也可以利用反射界面定位诊断钻柱工作状态。

Boo er和M eehan[17]发展了一种基于模型的方法来分析钻柱振动,提出了钻柱成像(drill str ing-i m ag ine,简称DSI)的概念。

将钻柱看成是由具有不同声阻抗的杆组成,在声界面处具有不同反射系数c和透射系数t,如图3所示。

利用地面采集到的振动信号,就可连续计算出一组反射系数。

这些反射系数含有丰富的钻柱信息,结合已知的钻柱结构,就可以实时获得更准确的钻柱信息。

他们利用这种方
法对现场测得的大钩载荷和扭矩进行了处理,结果
图2不同井深的振动信号单边反褶积自相关图
清楚地显示出了钻柱的主要结构变化、井径显著变化以及钻柱与井眼接触处的位置。

同时,井底反射系数可代表地层性质(波阻抗)的变化。

图3钻柱反射波示意
将钻柱记录到的信号作反褶积处理,可以提取出钻头振动信号。

获得的钻头信号中含有岩性和钻头磨损信息,进一步处理可以得到井底岩石的反射系数等有用数据。

M assim o Malusa、Flav io Poletto 等人[18]利用上述方法对获得的信号进行了处理,他们取5~40H z频带范围内的数据进行单边反褶积,然后对获得的数据取24s进行自相关叠加和时间校正,最后获得了时深曲线,时深曲线很明显地显示了钻头前方地层的反射信息。

5结论
1)钻柱振动录井操作简便,连续,实时性强,具有很强的优势和发展前景,进一步发展可用来进行井下工况监测、地层评价与钻前预测。

2)目前钻柱振动录井存在着观测系统还不能满足现场观测的要求、信号分析技术较为薄弱、提取的信息失真严重、信息量偏少等问题。

3)钻柱振动是一种非稳态连续随机振动,具有较宽的频带,具有与三牙轮钻头结构和旋转工作方
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#石油钻探技术2009年9月
式有关的周期性,钻柱传播效应明显,噪音来源广,能量强,信噪比低。

4)钻柱振动测量的发展趋势是多种传感器,多分量测量与无线传输。

5)钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析和独立成分分析等。

参 考 文 献
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[审稿 狄勤丰]
Development of Drill String Vibration Logging
Su Xue 1,2
Ge Hongkui 1
Yang Wei 1
C ui Shibo 1
Han Laiju 3
Wei Maoan
3
(1.I nstitute of Geop hy sics,China Ear thquake A dministr ation ,Beij ing ,100081,China;2.Colleg e of Petroleum Engineer ing ,China Univer sity of P etr oleum (E ast China ),Dongy ing,S handong,257061,China;3.Dr illing Technology Resear ch I nstitute,Shengli Petroleum A dministration,Dongy ing ,Shan -dong,257017,China)
Abstract:T he ax ial,lateral and torsio nal vibratio n of drill string caused by bit breaking rock during drilling contain information o f the drill string ,the drill bit and the form ation.T he drill str ing vibr ation logg ing is a new technolo gy to m onitor the w or king behav io r of the do w nhole too ls and predict the for ma -tion char acteristics below the dr ill bit by analy zing the vibratio n m easured o n the to p o f the drill str ing.This paper outlines the fundam ental principles of this technolog y,characteristics of drill string v ibration,measuring instruments,data processing m ethods,the m ain pr oblem s and development trend.It has a g ood pro spect for the dow nhole behav io r m onitor ing,form ation evaluation and the forecast prio r to dr illing.The propagatio n effect of the drill str ing distor ted the do w nhole vibratio n signal seriously.Intro duction of advanced signal processing method to separate the info rmation of the drill bit,the drill str ing and the for -m ation,such as deconv olution,wavelet analy sis,independent co mponent analysis,is the key of this tech -nolo gy.And the application o f wireless,mult-i parameter and m ult-i com ponent measur em ent w ill be help -ful.
Key words:drilling string vibration;lo gging;data processing;dow nho le status diag nosis;predictio n be -fore drilling
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