Ӧ��С������ʵ����������е���������ͷ��й������

在钻井过程中，由于岩石的不均质性、井下工况的不可预测性，采集到的信号通常被背景噪声所淹没。文章针对钻井过程中钻头与岩石啮合产生钻柱轴向调幅振动信号中强烈的背景噪声，采用小波包多层分解、域值滤波、通过能量系数值选取最优小波系数向量，并重构信号。对重构信号做FFT分析，有效的提取出了被噪声淹没的调幅信号特征，检测出了中心频率及其边频率带，将其作为钻头正常工作的图谱。采集并重构牙轮旷动的轴向振动信号，FFT及对比分析结果明显区别于正常工作钻头图谱，从而检测出了三牙轮钻头轴承故障。文章提出了新的钻柱轴向振动监测方法，可以及时发现钻头事故的前兆，实现安全、高效钻井。     

钻柱振动信号采集系统及谱分析

该文简介了国内尚属探索阶段的钻柱振动研究项目,介绍了钻柱振动信号测量系统及其构成、流程及检测特点。列举了该系统在钻井现场试验的实例,从振动信号谱分析方面,验证了该振动测量系统采集信号的准确性、泵冲对钻柱振动的影响、牙轮钻头牙齿引起轴向振动表现出的调幅振动特征。重点分析了三牙轮钻头钻进条件下钻柱轴向振动的规律和波谱特征,认为其在低频段,易产生谐波;中频段的检测,有利于判断钻头工作状态;高频段的声波能反映出地层的分层信息。     

三牙轮钻头钻进时钻柱轴向振动的特征

由于三牙轮钻头的特殊几何结构,钻进过程中在岩层顶部容易形成一个三脊状井底,正是这一三脊状井底,当钻头旋转一周时钻柱轴向三次凸凹变化,由此在轴向产生1倍、2倍和3倍及其更高次倍于转盘转速rpm的谐波振动.另外,三牙轮钻头与地层作用破岩时牙轮牙齿产生啮合振动,由于三脊状井底对啮合振动进行幅度调制形成调幅信号,根据调幅信号的频率特征,振动信号在频域表现为具有一定边带的一束谱线,它是钻头工作正常的“健康信号”.本文总结出了三牙轮钻头钻柱轴向振动的一般规律,并通过华北油田固108井实际测量数据分析,这一特征已经得到现场数据的验证.     

钻柱振动信号采集系统及谱分析

该简介了国内尚属探索阶段的钻柱振动研究项目，介绍了钻柱振动信号测量系统及其构成、流程及检测特点。列举了该系统在钻井现场试验的实例，从振动信号谱分析方面，验证了该振动测量系统采集信号的准确性、泵冲对钻柱振动的影响、牙轮钻头牙齿引起轴向振动表现出的调幅振动特征。重点分析了三牙轮钻头钻进条件下钻柱轴向振动的规律和波谱特征，认为其在低频段，易产生谐波；中频段的检测，有利用判断钻头工作状态；高频段的声波能反映出地层的分层信息。     

钻柱横向非线性振动分析

以往的钻柱横向振动研究大都忽略了非线性因素, 为此应用摄动法分析了钻柱横向非线性振动, 推导出钻柱横向非线性振动的频率和主振动的一次摄动解公式。分析公式表明, 钻柱横向线性振动仅是钻柱横向非线性振动的一种特殊情况; 非线性因素提高了钻柱横向振动的频率, 改变了主振动的性态, 使其不再成为简谐运动; 非线性因素对频率的影响程度随着振幅、轴向压力和钻柱长度的增大而增加。对于受较大轴向压力作用长钻柱的横向振动, 应当考虑非线性因素的影响。     

钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

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.     

岩性实时识别方法研究

钻柱振动信号是一种非常复杂的振动波,它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的振动,钻柱与井壁相互碰撞和粘卡 - 释放引起的振动等。研究表明,钻具振动的高频段是钻头与岩石作用时所产生的应力波,它能够反映出所钻地层的特性。岩石的力学性质决定了高频段振动波的能量大小和振动频率特征。试验数据表明,不同岩性的岩石在破碎时会产生一个或多个与岩性相关的主频,且谱峰的位置、谱峰能量的大小和谱峰的数目不同,从而为岩性实时识别和地层分层提供信息。在分析钻具振动影响因素的基础上,介绍了利用加速度传感器测量钻具振动的方法,通过频谱分析给出了四种典型岩石破碎时的频谱特征曲线,探讨了利用振动频谱特征进行岩性实时识别的方法。     

钻柱的动力不稳定性

从整体钻柱入手,考虑波动轴向力、钻井液的流动和质量,以及钻柱旋转的影响,建立了较接近实际的钻柱弯曲振动模型;推导出钻柱弯曲振动的偏微分方程并求出弯曲振动的频率;角渐近线方法确定在波动钻压作用下钻柱的动力不稳定区域,分析了动力失稳的特点及影响动力不稳定区域的因素。     

固液耦合工况下钻柱的扭振频率分析

采用ANSYS有限元分析软件对钻柱在固液耦合工况下的扭振频率进行分析,得到了钻柱的前5阶扭转振动固有振型,并对钻井液、钻铤长度、钻柱长度等因素对钻柱各阶扭振频率的影响进行研究.结果表明:钻铤长度、钻柱长度均对钻柱的扭振频率有较大的影响,可以忽略井筒中钻井液、轴向载荷等因素对钻柱扭转振动的影响.     

扶正器作用下的钻柱横向振动分析

以往对钻往横向振动的研究大都是将钻柱假设为两端铰支的简文梁，而没有考虑扶正器的作用。基于此，采用连续梁钻柱模型，推导出扶正器作用下的钻柱横向振动的频率方程和振型函数的精确解析式。所得公式对轴向受压钻柱、轴向受拉钻柱、无轴向力钻柱和有任意个扶正器及考虑钻柱自重等各种情况都适用。比较了连续梁钻柱模型和简支梁钻柱模型在固有频率和振型等方面的不同。通过实例分析，说明了扶正器数目越多，轴向压力对固有频率的影响越小，钻柱失稳临界压力就越大，即稳定性就越好。     

钻井液对钻柱纵向振动影响分析

钻柱纵向振动严重时造成钻头损坏、钻杆磨损加剧和迅速的疲劳破坏,使钻井成本大大增加。利用ANSYS软件建立钻柱振动有限元模型,采用Block Lanczos法进行固有振动特性分析,然后在钻头处施加干扰力,采用完全矩阵法进行动力响应分析,得出钻井液密度对钻柱纵向振动的影响规律。钻井液密度降低,导致固有振动频率升高,振幅增大;钻柱响应力的变化趋势与响应位移基本一致;钻井液密度降低引起钻柱的响应位移和响应力增大,进而造成von Mises等效应力增大,疲劳寿命降低。     

小波理论在钻柱振动谱分析中的应用

在钻井过程中,钻头与井底岩面之间的冲击、钻柱与井壁之间的碰撞常引起强烈的振动。钻柱振动与钻压、转速、地层岩性、井身结构、钻头磨损状况等有关。它能引起钻柱的疲劳破坏,严重时可造成钻具断落及其它井下事故,甚至导致整个井眼报废。傅立叶方法分析钻柱振动谱,解释效果不理想,而小波分析能对各种时变信号进行有效的分解,能在不同频段上更细致地研究钻柱振动信号特征。在快速傅立叶变换方法的基础上,利用小波理论开发出了小波细化分析方法和小波包方法。经过室内实验和现场测试检验,小波分析能更清楚地反映数据的特征,得到的谱图更清晰,不仅为钻井工程监测和故障诊断提供依据,而且有助于建立钻井工况故障档案。     

井场主要振动信号的分离研究及应用

采用一种新的工程信号分离处理方法——模式滤波法,开展了钻井井场振动信号的分离研究应用,介绍了钻井泵、牙轮钻头和PDC钻头钻进时钻柱顶部振动信号的模式滤波法信号分离结果。实践表明,可以采用模式滤波法快速、合理地分离各种混叠信号;只要信号之间存在一定的差异性,就可以实现信号完整、合理的分离处理。该方法在工程信号的分离处理中具有良好的应用前景。     

牙轮钻头动力学特性仿真研究

研究了钻井过程中钻柱、钻头、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学特性.根据汉弥尔顿原理和有限单元法,建立了全井钻柱纵向、横向扭转耦合振动动力学模型.在大量单元实验的基础上,建立了牙轮钻头与岩石相互作用力学模型.从系统动力学的角度出发,建立了基于钻柱、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学模型.研究了牙轮钻头非线性系统模型的数值求解方法,编制了钻头动力学特性仿真分析软件,在不同钻井操作参数、钻具(钻柱、钻头)几何参数、地层性质条件下,对牙轮钻头动力学特性进行了仿真.明确了钻井过程中井下钻柱及钻头的运动规律、动力学特性、失效机理,为科学合理地预测和控制井眼轨迹提供了理论依据和技术手段.     

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

可控偏心稳定器钻具组合弹性稳定性研究及其应用

可控偏心稳定器是旋转导向钻井技术中的核心工具之一,结合钻井作业的实际情况,对可控偏心稳定器钻具组合的弹性稳定性进行了研究和分析。运用纵横弯曲梁的理论,建立了管柱在纵横弯曲条件下的挠曲变形方程;运用能量法建立了受压管柱在旋转状态下的弹性变形方程,并且得到了临界钻压的求解方法;通过综合考虑井斜角、钻具自重、扭矩、转速、钻具的几何尺寸、钻压等6个重要因素对管柱临界失稳的影响,推导出了临界钻压的表达式,为合理使用好旋转导向钻井工具,特别是可控偏心稳定器心轴的合理设计和安全使用提供了理论依据,对现场钻井作业有积极的指导意义和借鉴作用。     

斜井眼内钻柱轴向振动的有限元分析

在斜井眼（弯曲井眼）钻进过程中．钻柱存在各种振动行为，其中跳钻是制约斜井钻进的主要因素之一．跳钻是由于钻柱轴向强烈振动引起的。严重跳钻现象表明斜井眼内钻柱的轴向振动是不能忽略的。以斜井眼的钻柱整体为研究对象．分析了钻柱整体在周期性激振力存在情况下轴向动态行为所遵循的规律。采用有限元法，对钻柱整体进行了分析，获得了钻柱整体的质量和刚度矩阵．进一步获得了动力学矩阵方程，并编制了计算程序．计算出了钻柱轴向振动的固有频率．结果表明受迫振动频率与钻柱固有频率接近时出现跳钻现象。这为深入研究斜井眼内钻柱动态行为提供了理论依据，并为进一步分析大位移井钻柱振动奠定了理论基础．具有现实的指导意义。