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井下钻柱振动信号的测量与分析

期刊:appl. sci.DOI:10.3390/app112311484

本文档是一篇发表于 Appl. Sci. 期刊(2021年,第11卷,文章ID 11484)的研究论文,标题为《Measurement and Analysis of Downhole Drill String Vibration Signal》。研究作者为来自中国地质大学(北京)工程技术学院自然资源部深部地质钻探技术重点实验室Yafeng Li(第一作者)、Jin Wang(通讯作者)、Yonggang ShanChong WangYuanbiao Hu。该研究旨在通过现场测量与信号分析,深入探究钻柱在火成岩钻井过程中的有害振动模式,特别是粘滑振动(Stick-Slip)涡动(Whirl),并分析其产生机理。

一、 学术背景与目的

在石油与天然气勘探开发中,钻井是一项高风险、高成本的工程。钻柱在井下的有害振动是导致钻井效率低下、成本增加及井下工具过早失效的主要原因之一。钻柱振动通常可分为轴向振动、横向振动、扭转振动以及涡动。其中,粘滑振动(一种剧烈的自激扭转振动)和涡动(横向振动与扭转振动的耦合)对钻头及钻井工具造成的损害尤为严重。为了有效控制振动、优化钻井参数、延长工具寿命,必须准确识别和理解这些振动模式在真实钻井环境下的特征。

传统的钻柱振动研究主要通过建立数学模型进行,但由于井下环境复杂(存在钻井液等),实际情况难以精确量化。因此,基于测量的动态研究方法至关重要。目前,多家石油服务公司已开发出基于加速度测量的井下振动测量系统。本研究团队在此背景下,研制了一套存储式井下振动测量装置,并利用该设备在一口油井的火成岩层段钻井过程中,近钻头处采集了钻柱的三轴振动加速度信号。

本研究的主要目标在于:1)利用自主研发的测量设备获取火成岩钻井中的真实钻柱振动数据;2)通过对时域信号(峰值、均值、均方根)的分析,定性判断钻柱的主要振动模式;3)应用快速傅里叶变换(FFT)短时傅里叶变换(STFT) 方法,对振动信号进行时频分析,提取粘滑振动涡动的特征频率,并探究其与井下提速工具(如扭冲工具、震击器)使用之间的关系,从而为现场及时识别有害振动、提出减振措施提供有效依据。

二、 研究方法与详细流程

本研究流程主要包括:测量装置与原理介绍、现场数据采集、信号处理与分析方法、时域分析、频域及时频分析,以及振动特征综合分析。

1. 测量装置与原理

研究团队开发的测量装置核心是一个偏心安装的正交三轴加速度计。传感器并非安装在工具中心,而是以一定的偏心距 r 径向安装在测量短节本体上。因此,传感器采集到的是钻柱自转公转(如果存在)的复合信号。三个正交轴向分别测量:z轴(沿钻柱轴向的振动加速度)、y轴(沿钻柱径向,指向轴心的振动加速度)和x轴(沿传感器运动轨迹切向的振动加速度)。

根据传感器安装特性,推导出了传感器测量值(asx, asy, asz)与钻柱中心加速度值(acx, acy, acz)之间的关系式: - asx = acx + r * ω̇ (切向加速度 = 中心横向加速度 + 角加速度项) - asy = acy + r * ω² (径向加速度 = 中心径向加速度 + 向心加速度项) - asz = acz (轴向加速度相等)

其中,ω 为钻柱旋转角速度。这些公式是后续区分不同振动模式的基础。测量装置的具体参数包括:采集频率0-5000 Hz,量程±100 g,耐温0-125°C,电池寿命100小时,存储容量2 GB。

2. 现场数据采集

测量工作在一口设计完钻深度8054米的油井中进行。目标层段为二叠系火成岩,深度4565~5020米。该层段钻井过程中井壁垮塌、掉块频繁,是研究有害振动的典型工况。 - 钻具组合:测量装置安装在钻头上方32米处,距离下部扭冲工具(Torsional Impactor) 30.25米,距离上部震击器(Jar) 99米,以减少这些工具对测量信号的直接影响。钻具组合主要包括钻铤、振动测量设备、扭冲工具和PDC钻头。 - 采集参数:采集频率设置为1000 Hz。钻井参数大致为:钻压50 kN,扭矩11.8 kN·m,转速47 rpm,泵冲140 spm。 - 数据获取:设备在井下实时存储振动数据,待钻具起钻后带回地面读取。研究截取了4700~4720米和4740~4750米这两个事故频发、具有代表性的井段信号进行深入分析。

3. 信号处理与分析方法

研究采用了时域统计分析频域/时频分析相结合的方法。 - 时域分析:计算三轴加速度信号的峰值(Peak)平均值(Mean)均方根值(RMS),使用长度为100个数据点(对应0.1秒)的滑动时间窗。通过观察这些统计量曲线的规律,可以定性判断振动模式。例如,粘滑振动会在时域信号中呈现规律的波包(周期性出现和消失),且均值、均方根和峰值曲线会呈现相应的周期性峰谷。 - 频域及时频分析: - 快速傅里叶变换(FFT):用于分析振动信号中包含的频率成分及其能量(幅度),识别主导频率。 - 短时傅里叶变换(STFT):用于分析频率成分随时间的变化规律,揭示不同振动模式在时频域上的特征。研究中通过STFT得到了以颜色深浅表示能量谱密度(Energy Spectrum Density) 的时频图。

4. 具体分析流程

  1. 代表性信号选取:在4700~4720米和4740~4750米两个井段的振动信号中,分别选取占比超过40%的典型信号片段进行深入分析。
  2. 时域波形与统计量分析
    • 对选取的信号绘制原始三轴加速度时域波形图。
    • 计算并绘制三轴加速度的峰值、均值、均方根随时间变化的曲线。
    • 根据波形规律(如是否出现规律波包)和统计量曲线的特征(如径向加速度均值是否呈现周期性大幅波动,切向与径向加速度的峰值/均方根曲线重合度等),参照理论关系式,初步判断该段信号所代表的振动模式是粘滑振动还是涡动
  3. 频域及时频分析
    • 对已判明振动模式的信号段,分别进行FFT分析,得到三轴加速度的频谱图,找出主导频率
    • 对同一信号段进行STFT分析,生成三轴加速度的时频图,观察各频率成分(特别是主导频率)随时间出现、消失或能量变化的规律,并与时域观察到的振动周期进行对比验证。
  4. 振动特征综合分析:将不同井段、不同振动模式的分析结果进行对比和归纳,总结粘滑振动和涡动的时域、频域特征指标。进一步结合钻井参数(如转速、钻压的突变)和钻具组合中提速工具(扭冲工具、震击器)的工作原理,分析有害振动产生与这些工具之间的潜在关联。

三、 主要结果与发现

1. 时域分析结果

  • 4700~4720米井段(典型粘滑振动)

    • 时域波形:三轴加速度信号均呈现规律的周期性波动,切向和径向加速度在0值上下剧烈波动,轴向加速度在1g(重力加速度)附近波动。信号呈现出明显的“波包出现-消失-再出现”模式,波包持续约3秒(滑移阶段),消失(停滞阶段)持续约7秒,周期约为10秒。当波包消失时,径向和切向加速度趋近于0g,轴向加速度稳定在1g,表明钻柱旋转停止。这与粘滑振动“旋转-停滞-旋转”的运动特征完全一致。
    • 统计量曲线:径向与切向加速度的峰值曲线变化高度相似。径向加速度的均值曲线呈现显著的周期性大起大落(最高达1.7g),而切向加速度均值波动很小(约0.7g)。这是由于径向加速度包含 r * ω² 项,对转速变化极为敏感,直接反映了扭转运动的剧烈变化。均方根值曲线显示,径向加速度的振动能量最大,表明粘滑振动中,扭转振动能量占主导
  • 4740~4750米井段(典型涡动)

    • 时域波形:三轴加速度信号杂乱无章,没有明显规律。径向和切向加速度的波动范围很大(可达±50g),且波动幅度大致相等。轴向加速度仍在1g附近小幅波动。
    • 统计量曲线:径向与切向加速度的峰值和均方根曲线高度重合且变化混乱,表明横向振动与扭转振动的剧烈程度相当。关键在于,径向加速度的均值(约1.8g)与切向加速度的均值(略小于1g)相差较大,且切向加速度均值不为零。根据理论,当发生一般横向振动时,两者均值应接近;当发生纯扭转振动时,径向均值会因转速变化而显著增大。当前特征符合横向振动与扭转振动耦合的条件,即涡动

2. 频域及时频分析结果

  • 粘滑振动的频域特征

    • FFT频谱:三轴加速度在0.1221 Hz处均有一个显著的主频,其倒数(约8.2秒)非常接近时域观察到的10秒振动周期。此外,在145.9 Hz155.5 Hz附近存在突出的高频成分。径向加速度频谱中还出现了0.3967 Hz的成分,约为0.1221 Hz的三倍频
    • STFT时频图:径向加速度时频图清晰地显示,低于200 Hz的多种频率成分以约10秒的周期规律性地出现和消失,再次印证了粘滑振动的周期。145.9 Hz和155.5 Hz的频率成分在整个信号段持续存在。
  • 涡动的频域特征

    • FFT频谱:所有三轴加速度在0.05341 Hz处都有一个共同的主频,其倒数约18.7秒。切向和轴向加速度在155.5 Hz处有显著主峰,而径向加速度在该频率处不明显。
    • STFT时频图:径向加速度的频率分布在短时间内杂乱,但在整个时间区间内,其能量谱密度以略小于20秒的周期呈现律动,与0.05341 Hz主频对应。切向和轴向加速度的时频图中,155.5 Hz的频率成分持续存在,且能量谱密度也呈现约20秒的峰值周期。

3. 振动特征综合分析

研究将分析结果汇总,并关联井下工具: 1. 主导频率来源分析: - 0.1221 Hz (粘滑)0.05341 Hz (涡动):分别与两种振动的自身周期相对应,很可能反映了钻井工具的固有频率或系统的振动特性。 - 145.9 Hz 和 155.5 Hz:这两个高频成分在两种振动模式中均出现。现场使用的扭冲工具(Torsional Impactor) 在钻井液流量稳定时,冲击频率为50 Hz。145.9 Hz和155.5 Hz非常接近50 Hz的三倍频,表明它们很可能是扭冲工具冲击作用引发的耦合振动频率。 - 216.5 Hz, 361.7 Hz, 391.8 Hz:这些频率可能是扭冲工具与震击器(Jar),或钻头与震击器之间的耦合振动频率。 2. 提速工具的影响: - 扭冲工具与震击器的同时使用,很可能同时激发了轴向振动(震击器)和扭转振动(扭冲工具),为涡动(横向与扭转耦合)的发生创造了条件。在4740~4750米井段钻压变化剧烈的工况下,钻具可能处于反复“弯曲-校直”状态,更容易诱发横向振动,从而与扭冲工具产生的扭转振动结合形成涡动。 - 扭冲工具的积极作用:对比发现,粘滑振动信号的各轴加速度幅值明显小于涡动。这表明,扭冲工具可能有助于钻柱摆脱“粘滞”状态,减少转速波动,从而在一定程度上缓解了粘滑振动的剧烈程度

四、 结论与价值

本研究的核心结论如下: 1. 通过时域信号中规律的波包可以定性识别粘滑振动,并根据波包“出现-消失”的时长确定其周期(本研究案例中约10秒)。其中,径向加速度对转速变化更敏感,能更直观地表征粘滑振动。 2. 涡动发生时,钻柱的横向振动与扭转振动剧烈程度相当。其时域判断关键指标是:径向加速度均值与切向加速度均值相差较大,且切向加速度均值不为零。 3. 时频分析表明,粘滑振动的特征频率为0.1221 Hz,对应其周期;涡动的特征频率为0.05341 Hz,对应约19秒的周期。高频成分(如~155.5 Hz)与井下提速工具的工作频率相关。 4. 火成岩钻井中有害振动(特别是扭转振动和涡动)的发生,与钻具组合中同时使用扭冲工具和震击器有密切关系。建议在实际钻井中,应审慎评估并避免同时使用这两种可能激发不同方向振动的提速工具。

本研究的科学价值在于,提供了一套从现场测量、信号处理到时频分析的完整方法论,并获得了火成岩这一特定复杂地层中钻柱振动的真实、详尽的特征数据,深化了对粘滑和涡动两种复杂振动模式时频特征的理解。其应用价值突出表现在为现场工程师提供了明确的振动识别判据和频率特征,有助于实现有害振动的早期预警,并为优化钻井参数、合理选用井下工具以抑制振动提供了直接的数据支持和理论指导。

五、 研究亮点

  1. 方法创新性:研究采用了自主研发的存储式偏心安装振动测量装置,获取了近钻头的真实振动信号,克服了地面测量信号衰减和失真的问题。
  2. 分析系统性:综合运用时域统计(峰值、均值、RMS)频域分析(FFT)时频分析(STFT) 等多种信号处理手段,从多个维度完整刻画了振动特征,分析层次深入。
  3. 关联工程实际:研究并未停留在信号分析层面,而是进一步将振动特征频率与井下具体工具(扭冲工具、震击器) 的工作机理和现场钻井参数变化相联系,提出了有害振动产生与工具组合相关的重要工程见解,使研究成果具有强烈的现实指导意义。
  4. 数据代表性:聚焦于火成岩这种易发生井壁失稳的复杂地层钻井过程,所分析的振动数据来源于真实的井下复杂工况,结论对类似地层钻井具有重要的参考价值。
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