井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用

井下钻柱振动分析及DDS在现场的应用

关键词：钻柱振动钻具加速度计 mwd

一、井下钻具振动的定义及危害

1.井下钻具振动的定义

井下钻具震动是指井下钻具在受到外界震击以后，发生的周期性、围绕中心位置来回的弹性运动，进行能量释放的过程。

井下钻具的破坏方式主要有两种：

1.1受到瞬间的强烈震击，碰撞对钻具造成破坏。

1.2受到外界能量输入以后，钻具自身发生的频繁的周期性的振动，使钻柱发生弹性破坏。

2.井下钻具振动的危害[2]

破坏钻柱及钻头。

造成井下事故（如粘卡）

浪费大量非生产时间，增加生产成本。

降低进尺，浪费不必要的能量在钻具振动上。

二、井下钻具振动的检测

sperry-sun是通过dds（钻柱动力传感器）来测量井下钻具振动的。而dds是由三个互成直角的加速计（x，y，z）组成。x指钻柱中心在侧向上沿x轴上的加速度（axc）和钻柱径向上沿x轴方向上的离心加速度（rω2）的叠加，y指在侧向上钻柱中心沿与x 轴垂直的y轴上的加速度（ayc）和与离心力相垂直的加速度（rω）的叠加，r指钻柱的半径，ω指钻柱的转速（rpm）。z指钻柱沿轴

向方向的加速度（azc）[1]。

1.模拟/加速计板

模拟/加速计板是一个被组合了加速计的模拟电路板。模拟电路板用来监控，过滤和放大变频信号。这种信号通过以下三种方式来体现：峰值，平均值和脉冲。

2.数字面板

数字面板包含一个摩托罗拉8字节hc11处理器，512 kb ram， 32 kb eeprom（电子可擦只读内存）和一个温度传感器。所有的数据（峰值，均值，脉冲和温度）计数范围为0-255。

三、钻柱振动的分类和影响因素

1.振动机理及分类[1]：

钻头和钻柱振动可分为三种类型：

轴向：钻柱沿轴方向上的移动。

扭转：钻柱侧向扭转引起的移动。

横向：钻柱水平横向上的移动。

主要有以下六种常见的振动类型。

1.1钻头的跳动

1.2粘/滑-扭矩引起的移动

1.3钻头旋转-横向上的移动。

1.4钻具组合旋转- 横向上的移动。

1.5侧向上的震动。

1.6耦合模式的振动-涉及了所有三种振动的运动。

2.振动的影响因素

2.1钻进参数

优化钻进参数（主要指钻压和转速），使之处于振动安全范围内。离心力的大小和转速的平方成正比，转速越高，产生在钻头和钻柱上的非平衡力就越大，越多的能量产生侧向上的震动。

2.2井眼井斜

钻进直井时容易产生侧向上的振动。在定向井中，钻柱重力有减少侧向位移的趋势。更大的摩擦扭矩，扭转振动（粘/滑）在斜井中容易产生。

2.3井底钻具组合：

不稳定的钻具组合更能诱发钻铤和钻头的旋转，使用满眼扶正器保护mwd仪器免于破坏性的振动损坏；使用螺旋钻铤代替普通钻铤以减少摩阻；定期探伤钻具，尤其接箍处。

2.4钻头：防旋转pdc钻头比普通pdc更稳定。

2.5岩性：振动总是随着地层硬度的增加而增加。

2.6井眼尺寸：扩大的井眼（大肚子）增加钻头和钻柱的不稳定性，增加侧向震动，钻头、钻柱旋转的可能性。

四、振动的诊断流程和缓解措施

1.振动诊断流程

1.1下载参数，设置初始值

1.2监测实时dds数据

1.3检查振动情况：如振动值低，则回到步骤2；如振动值高或

中，继续步骤4

1.4检查进尺、钻压，和扭矩，汇报司钻（振动值高采取步骤5，振动值中采取步骤6）

1.5诊断情况，采取措施

1.6仔细监测，判断状态，如果持续一个小时以上，采取措施。

1.7步骤5、步骤6进行完毕后回归到步骤2，继续监测。

五、结论与认识

1.sperry-sun通过三个互成直角的加速度计（x、y和z）来测量井下钻柱振动，再由模拟电路输出加速度峰值、平均值和脉冲。

2.井下钻柱振动主要包括轴向、侧向和扭转振动三种类型。影响因素主要有：钻进参数（钻压和转速）、井眼井斜、钻具组合、钻头、岩性、井眼大小。

3.dds可以实时监测井下钻柱振动，分析解释不同曲线，采取不同的措施来缓解和避免钻柱振动。

参考文献

[1] sperry-sun， a halliburton company. drillstring dynamics sensor （dds） sensor manual，1999.

[2]陈红昌刘玉榜隋海东等. dds振动传感器在随钻地质导向中的应用，2008.