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1、綜合錄井鉆具振動檢測與分析2008-05-1714:58:33http://www.zylj.com/Article_Show.asp?ArticleID=116一、前言綜合錄井由勘探者的耳目逐漸上升為勘探者的有力助手，現(xiàn)在已成為勘探者必不可少的決策依據(jù)。這種角色的提升，是油氣勘探開發(fā)的現(xiàn)實(shí)需要和工程技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。隨著工作站型綜合錄井儀的引進(jìn)，作為進(jìn)口工作站型綜合錄井儀技術(shù)亮點(diǎn)的鉆具振動檢測與分析及錄井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，將帶動整個錄井技術(shù)再上一個新的臺階。鉆具振動檢測與分析技術(shù)，就是在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，利用鉆具產(chǎn)生的振動行為來傳輸井下情況和巖性
2、信息。由于其檢測與分析技術(shù)具有實(shí)時性，因此，人們也將其稱為鉆具振動錄井技術(shù)。鉆具振動錄井技術(shù)的關(guān)鍵是振動信號的采集和分析系統(tǒng)。國內(nèi)傳統(tǒng)錄井系統(tǒng)沒有配備這一系統(tǒng)，雖然可通過扭矩傳感器達(dá)到間接測量鉆具扭向振動的目的，但從測量原理上來看其測量精度較差，不能很好地直接反映地層方面的有關(guān)信息。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1．國外研究現(xiàn)狀在鉆井過程中，鉆具振動與鉆具及其組成部分的動力學(xué)特性有關(guān)。國外從60年代就開展了鉆具振動問題的研究，近年來已取得了許多重要成果。1984年Arrco公司開發(fā)出了"高級鉆具分析與測量系統(tǒng)"。1985年該公司的Besaisow等人論述了
3、振動信號可以通過鉆具頂部獲得，而且其信號可真實(shí)反映井下鉆具行為，并討論了鉆具振動產(chǎn)生的機(jī)理。與此同時，以優(yōu)化破巖機(jī)理為目的，ElfAquitaine公司又在鉆具動力學(xué)的理論和技術(shù)上取得了進(jìn)一步的研究成果，1986年，該公司專門成立了研究小組，并于1998年研制出"鉆進(jìn)動態(tài)控制裝置"。近年國際錄井公司開發(fā)的獨(dú)具特色的DLSVIBRA鉆具振動分析軟件包，專門用以檢測鉆具的扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度并進(jìn)行分析預(yù)報，并成功地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化推廣。DLSVIBRA軟件包由兩個軟件組成：一個為振動數(shù)據(jù)采集軟件，一個為分析監(jiān)測軟件。采集軟件可以最快10HZ的頻率采集四類參數(shù)：
4、泵壓、大鉤負(fù)荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及扭矩并將其傳至分析監(jiān)測軟件。分析監(jiān)測軟件可以裝在儀器房內(nèi)也可以裝在后方辦公室通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行扭振的實(shí)時監(jiān)測分析。DLSVIBRA的分析軟件使用復(fù)雜的快速傅立葉變換對扭矩信號進(jìn)行頻率分析，分析的結(jié)果以能譜圖的方式實(shí)時檢測轉(zhuǎn)矩信號的正弦變化并用能譜圖和均方根表顯示出來，使得操作人員對扭矩變化一目了然。在實(shí)時監(jiān)測狀態(tài)下，這個軟件還能夠回放數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，查看并打印出感興趣井段的曲線。2．國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)石油大學(xué)高巖副教授、郭學(xué)增教授在鉆具振動檢測與分析方面開展了頗有成效的研究，于1997年研制出檢測裝置，1998年在華北油
5、田曹11井和固18井兩口井上進(jìn)行了試驗，取得了可喜的階段成果。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，劉志國博士和郭學(xué)增教授在鉆具振動檢測與分析研究上又取得重大進(jìn)展，在應(yīng)力波分離和處理方面，對三種干擾因素（井深的變化、井眼尺寸的不同和鉆井參數(shù)的變化）等進(jìn)行能量歸一化處理，并采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行編程。三、技術(shù)原理1.檢測原理在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆頭破巖時會產(chǎn)生聲波發(fā)射現(xiàn)象，巖石應(yīng)變能以彈性波方式快速釋放，通過鉆具振動傳至地面。最終由鉆井動力系統(tǒng)或裝置所承受。鉆具應(yīng)力波的來源很廣泛，諸如鉆頭的轉(zhuǎn)動、巖石的破碎、井眼的幾何形狀、鉆具的組合均可以是鉆具應(yīng)力波產(chǎn)生的源泉，但我
6、們所關(guān)心的是那些能夠說明鉆頭工況和巖層特征的應(yīng)力波。鉆具帶動鉆頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，是旋轉(zhuǎn)式鉆井的基本操作之一，但它也是誘發(fā)鉆具振動的主要來源。旋轉(zhuǎn)鉆頭的運(yùn)動模式，必然反映在鉆具的振動中。巖石是由多種礦物組成的集合體。每種礦物破碎時，均有其特定的破碎應(yīng)力和應(yīng)變時間。礦物作連續(xù)性破碎時，其應(yīng)力和應(yīng)變時間的交替變化，表現(xiàn)為外因鉆具應(yīng)力波的幅頻特性。巖石破碎過程的信息，將反映在鉆具應(yīng)力波頻譜特性中。通過應(yīng)力波檢測及頻譜分析，就能夠提取鉆具工況（包括鉆頭）、地層巖性特征信息。計算機(jī)技術(shù)和信息處理理論的發(fā)展，使實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)成為可能。振動信號測量系統(tǒng)裝置圖見圖2。
7、該測量系統(tǒng)主要由軸向加速度傳感器、電荷放大器、模擬濾波器及采樣系統(tǒng)組成。2.分析原理2.1鉆具應(yīng)力波頻段鉆具應(yīng)力波的低頻段（0~200Hz），可為工程提供鉆頭工況方面的信息，依據(jù)頻譜曲線呈現(xiàn)的異常波形可以判別為鉆頭失效的先兆。在鉆具應(yīng)力波的高頻段（5kHz以上）為地層信息頻段。該頻段的顯著特點(diǎn)是，有一條明顯的貫穿于5-6kHz的加強(qiáng)頻帶，此頻帶將隨地層的埋藏深度的增加，產(chǎn)生頻率有左偏移，左偏移說明了巖石在多向應(yīng)力下的塑變現(xiàn)象，而5∽6kHz頻帶是泥巖或泥質(zhì)膠結(jié)物破碎時所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)。200-5kHz頻段正好是音頻區(qū)，目前暫且認(rèn)為是鉆機(jī)和諸多井
8、場裝備激發(fā)的音頻振蕩，它既觀察不出與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性，也看不出與巖石塑變的相關(guān)性，留作后繼開發(fā)的對象。2.2信號識別2.2.1低頻信號識別為了識別每一組譜
