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.     

井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

利用根据相似理论设计出的底部钻柱动力学研究试验装置,进行了井底光钻铤钻具在不同钻压、转速条件下旋转及钻压波动规律的试验研究.试验结果表明:光钻铤钻具组合在井底的旋转大部分为正向涡动及谐波振动,要想使其产生反向涡动必须合理选择钻进参数;使用光钻铤钻具组合时井底钻压振动幅度较大;单从减轻钻柱振动危害方面讲,不建议采用光钻铤钻具组合,但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度看,该钻具值得推荐;光钻铤钻具组合的防斜机理有待于进一步研究.     

带井下液力推进器的钻具组合振动分析

建立了带井下液力推进器钻具组合的数学模型,并进行了振动分析和模型求解。给出了确定井下液力推进器以下钻具临界长度的两种方法。根据数学模型并针对现场实际情况而设计的带井下液力推进器的钻具组合能将钻柱振动分隔成两部分,一方面减轻液力推进器以上钻柱的振动,又充分利用液力推进器以下的钻具振动对钻头施加一冲击能量,使钻头平均机械钻速提高４１３％;另一方面,跳钻得到一定控制,钻头牙爪和牙齿磨损减轻,钻头平均使用寿命提高１２１％,平均机械进尺提高５５４７％,没有断齿现象。     

声波钻杆信道及信息传输仿真研究

为利用声波沿钻杆有效地随钻传输钻井数据,提出应用声波无缝传输模型将任意井下钻具组合(BHA)分解为单个声波无缝传输模型(RATO)的级联。建立了BHA中每个钻具的RATO,分别设计FIR滤波器模拟该模型,根据对信道通带位置最佳逼近原则应用相位均方误差最小准则获得最佳FIR长度;将子双口网络参数连乘得到模拟的多钻具级联构成的BHA的系统函数;应用有加工误差为±4%的5in同规格钻杆随机级联为例仿真声波钻柱信道验证了FIR滤波器的方法的正确性和可行性;在该信道上采用2FSK调制解调方式进行信息传输仿真,信号载频位于信道子通带内,约2 500m信道、传输波特率为20bit/s时误码率小于3%。可以应用FIR滤波器仿真声波钻柱信道进行信息传输研究,为随钻声波传输仪器的研制提供测试平台和技术支持。     

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。     

考虑钻柱振动的底部钻具载荷传递规律研究

随着油藏开发难度增加,苛刻的地质条件给钻井作业技术提出更高的要求,特别是在大位移井及深井超深井钻井方面。对于极限延伸井钻井来说,不仅需要有良好的钻井设备,还需要依靠钻井工艺技术及基础理论支撑。底部钻具组合力学分析中的载荷传递规律对极限延伸井钻井有着重要影响。因此,在前人研究的基础上,对考虑钻柱横向振动影响下的底部钻具载荷传递规律进行研究,同时对影响底部钻具载荷传递规律的因素进行敏感性分析。研究结果表明:底部钻具横向振动对钻柱轴力及扭矩影响较大,随着摩擦因数及方位变化增加,消耗在底部钻具上的摩阻力及扭矩线性增加;随着底部钻压增加,钻具所受摩阻力及扭矩变化率变大。因此,对于大位移井及长水平段水平井极限延伸来说,不能忽略横向振动对钻具载荷传递的影响。     

底部钻具组合动力学特性模拟试验方法研究

为了对底部钻具组合(BHA)的动力学特性进行研究,以BHA的运动微分方程为基础,应用相似理论得出了模拟试验参数与现场参数之间的对应关系,设计并建造了BHA动力学特性模拟的试验装置,设计了模拟井筒和模拟BHA,同时考虑了它们之间的摩擦作用,通过模拟试验研究了钻压、钻速、井斜角、稳定器外径及钻柱与井筒之间的摩擦作用对钻头侧向力、转角及运动规律的影响。最后指出,钻井液与钻柱的非线性流固耦合作用对钻柱力学行为有很大的影响,单纯的理论分析仍显不足,有必要通过模拟试验进行深入研究。     

声信号在井下管结构传输特性的研究

井下管结构声波的传输方式是用沿钻杆传播的弹性波作为载波,使得井下的数据成功传输到地面。这种传输方式简单易行,且投资少;但因钻柱结构的变化影响声传播特性,信号因反射和折射而衰减,限制信号的传输。目前,普遍采用理想周期性管结构来研究钻柱的声波传播特性,理想周期性钻柱的声波传播呈现出频带具梳状滤波器结构特性,且频带分布具有一定的周期性和对称性。钻柱不可能是由同一钻具连接的周期模型,而是根据地层的需要进行不同钻具组合,所以需要研究非周期性钻柱声波信道。利用双端口网络法建立周期和非周期的钻柱信道模型,并分别研究不同的钻柱特性,得到非周期性钻柱由于结构变化加剧,通带衰减也大幅增加。     

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。     

基于螺杆钻具的近钻头井斜测量误差及修正

为了研制具有自主产权的基于现有螺杆钻具的随钻近钻头测量装置,结合井下工况,对近钻头井斜测量过程及仪器本身存在的误差进行了分析,阐述了利用声波或电磁波传输近钻头信号的优势,并提出了近钻头井斜精确测量的误差修正思路。分析结果认为,当前的近钻头井斜测量仪器还存在一些未考虑到的问题,如动力钻具的振动影响测斜精度,动力钻具弯角的存在导致近钻头仪器与井眼不同轴产生误差等。利用声波传输近钻头信息及远程传输井下信息是实现测量的静态及传输信号过程静态的有效方法,建议加快该技术的研究进度,争取早日应用于现场。     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

气体钻井钻具组合瞬态动力学特性初探

钻柱转动时切向摩擦力会引起钻柱侧向位移,但采用钻井液钻井时其摩擦系数较小,因此该位移常被忽略不记。但在气体钻井时,其摩擦系数增大,该部分位移则不得不考虑。以弹性力学、材料力学为基础,考虑切向摩擦力对钻柱变形的影响,建立了转动钻柱在斜直井中三维瞬态动力学模型及力学方程,并采用龙格-库塔法求解方程数值,分析了钻井参数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数及井眼结构参数等对下部钻具组合变形的影响。分析结果表明:钻压增大,钻柱的变形量加大,钻柱变形节距减小,钻柱振动加剧,但对下部钻具的摩擦扭矩影响不大;井斜角增大,钻柱与井壁的接触力及摩擦扭矩增大,钻柱的变形节距减小;环空间隙减小,钻柱变形角增大,钻柱变形节距减小;钻井流体的密度越大,下部钻柱变形角越小;井斜角增大,不仅影响下部钻柱变形的大小,而且影响着变形方向。     

深井钻具纵向振动规律分析研究

以深井中的整体钻柱为研究对象 ,建立了深井钻柱一维纵向振动分析模型 ,采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程 ,并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件 ,最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。通过对现场的统计分析发现 ,该分析计算结果具有很高的实用价值 ,对今后深井钻进中提高钻井效率、减少钻具失效有一定的指导意义     

水平井侧钻过程中钻柱横向振动规律的研究

在水平井的侧钻过程中,钻柱很容易发生横向振动,引发钻柱失效、井眼扩径等严重事故。鉴于此,全面地分析了侧钻水平井钻柱的横向振动,以近井底长钻柱单元为研究对象建立了这种振动的力学模型,研究了横向振动的动力学规律,获知了钻柱横向振动的共振频率的分布规律。振动规律的实际应用反映了钻柱横向振动规律理论分析的正确性。侧钻水平井钻柱横向振动规律的研究对水平井在侧钻过程中保持井壁稳定、减少钻柱失效、提高钻速和降低钻井成本具有重要的理论价值和实际意义。     

定向井滑动钻进送钻原理与技术

定向井和水平井钻进经常采用滑动钻进方式。地面间歇向井内送入钻杆是如何转化成井下钻柱对钻头的推进的？如何减小钻柱与井壁的滑动摩擦力给钻压带来的误差？现有的滑动钻进送钻技术各有什么优缺点？这些都是业界关心的问题。为此,把钻具送到井底并加上钻压,暂停地面送钻操作的工况作为研究区间,分析了井底的钻柱弹性、水力振荡器和液力推进器3种送钻原理。阐述了带井下动力的钻具组合、带水力振荡器的钻具组合和带液力推进器的钻具组合的滑动送钻技术,给出了地面钻进参数与井底钻进参数的关系。进而比较了3种送钻技术的特点：带井下动力的钻具组合在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进;带水力振荡器的钻具组合依靠其产生的水力振动来降低钻柱与井壁间的滑动摩擦力,改善钻压传递效率;带液力推进器的钻具组合在其工作钻压区间,依靠活塞推动钻头前进。结论认为,带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优,钻压可调、平稳,液力推进器可串联使用,钻进时可以活动上部钻柱。     

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

气体钻水平井的钻柱振动分析

在水平井的钻井过程中,钻柱处于复杂的运动状态,振动是一种常见的现象,钻柱的共振是引发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大,容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象,利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动,建立了钻柱各种振动的模型;通过实例分析获得了钻柱振动的规律,得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。     

分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。     

定向井钻压传导计算方法

在定向井、水平井钻井过程中,钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导,井底钻压往往低于预定施加钻压,严重影响了钻井效率.因此,科学地进行钻压传导分析,准确地计算井底实际钻压是保证定向井快速钻井的关键.考虑钻井液对钻柱轴向力的影响,并结合定向井钻柱结构特点,分别对上部钻柱和底部钻具组合进行受力分析,建立了上部钻柱和底部钻具组合轴...