钻柱振动信号在线监测及应用

第３２卷第１期　振动与冲击　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨＯＣＫ　

钻柱振动信号在线监测及应用　

刘瑞文，管志川，李春山　

（中国石油大学石油工程学院，山东青岛２６６５５５）　

摘　要：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一释放引起的振动等。研究表明，井下钻柱的运动状态、牙轮钻头的磨损状　况和岩石的破碎方式的不同，会表现出不同的振动特征。因此，在线监测和分析钻柱振动信号的时域和频域特征，实时识　别井下钻具的工作状态，对预防钻具（钻柱和钻头）的早期损坏、减少钻井事故的发生具有重要作用。在调研国内外钻柱　振动信号测量方法的基础上，研制了钻柱三轴振动信号的地面测量装置，并进行了现场试验。试验结果表明，通过对振动　信号的时域和频域信号的特征分析，对可以识别出钻柱的非稳定工作状态、钻柱粘卡、钻头故障等异常工况，并且通过改　变钻压或转盘转速可以消除因钻进参数配合不当二引发的高幅振动，防止钻具的早期损坏。　关键词：钻柱振动；加速度计；振动监测；钻具损坏　中图分类号：ＴＥ２８　文献标识码：Ａ　

Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｎｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

ＬＩＵ　Ｒｕｉ—ｗｅｎ，ＧＵＡＮ　Ｚｈｉ—ｃｈｕａｎ，Ｌ１　Ｃｈｕｎ—ｓｈａｎ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５５５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｖｅｒｙ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｓ，ｉｔ　ｃｏｎｔａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃａｕｓｅｄ　

ｂｙ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｉｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｔ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｌａｙｅｒ，ｔｈｅ　

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｉｃｋ—ｓｌｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｗａｌ１．Ｓｔｕｄｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ，ｂｉｔ　ｗｅａｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｔｙｐｅｓ　ｃａｕｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ．　

Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｏ　ｏｎｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｃａｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｙ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　

ｄｏｗｎｈｏｌｅ　ｔｏｏｌｓ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｐｒｅｍａｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｈｅｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　

ｓｉｇｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｄｏｍｅｓｔｉｃａｌｌｙ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ａ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｔｒｉａｘｉａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｎ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔ．Ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｕｎｓｔａｂｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｓｔｉｃｋｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｂｉｔ　ｆａｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｎｌｉｎｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ；ｔｈｅ　ｓｅｖｅｒｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｏｒｒｅｃｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｉｔｉｇａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｎ　ｂｉｔ　ｏｒ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍａｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ　

ｃａｎ　ｂｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌ　ｆａｉｌｕｒｅ　

钻柱振动信号是一种信息含量丰富、成分复杂的　

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　

撞及粘卡～释放引起的振动等。钻柱振动信号的特征　

与钻具结构、钻具的运动状态、所受载荷特性等动力学　

特性有关，其信号特征反映了井下钻具的工作状态及　

所破碎的岩石特性。现场经验丰富的司钻经常通过手　握刹把的感觉和钻进时的声音来判断钻具的工作状态　

和所钻岩石的类型，因此，在钻柱上安装一个类似听诊　

器的高灵敏度振动传感器，对钻柱振动信号进行在线　

收稿日期：２０１１—０７～２０修改稿收到日期：２０１１—１２—３０　第一作者刘瑞文男，副教授，１９６１年生　监测和分析，不但可以实时识别井下钻具的工作情况，　预防钻柱和钻头的早期损坏　６　Ｊ，而且可以识别地层　

的岩性状况　。　

对钻具振动测量方面的研究起源于上世纪七十年　

代，法国的Ｅｌｆ　Ａｑｕｉｔａｉｎｅ公司在１９７０年研制出了称为　

瞬态录井（Ｓｎａｐ　Ｌｏｇ）的地面钻柱测振装置…，但该装　

置缺乏可信度。１９８４年ＡＲＣＯ公司研制出了高级钻柱　分析与测量系统　ｊ——ＡＤＡＭｓ，该系统的振动测量接　

头安装在顶部驱动系统的下端或方钻杆的上部，实现　

了钻柱的纵向和扭向振动信号的测量，并通过对振动　

信号的分析处理来判别钻具的工作状态。近年来，随　

着ＭＷＤ／ＬＷＤ随钻录井技术的不断发展和测量仪器性　

能的改进，国外的研究重点放在了井下振动信号的。贝０

　第１期　刘瑞文等：钻柱振动信号在线监测及应用　６１　

量，测量仪器包括加速度传感器、应力计、磁力计、井底　

钻压和扭矩等　。　

韩春杰等　Ｉ４　对钻具的振动问题进行了大量研　

究，取得了许多研究成果，但主要集中在对钻柱理论模　型的研究，通过对模型的分析计算来了解钻具的振动　

情况，这与井下钻具的实际情况存在较大差别。高岩　等＿】Ｉ２　在钻具振动检测与分析方面开展了颇有成效的　

研究，研制出了用于地面的钻柱振动信号采集装置，并　

进行相关实验分析。该研究的重点是对纵向高频振动　

信号测量和分析，主要是用于地层岩性的识别。　

地面和井下测量各有优缺点。井下振动信号能反　

映钻具在井下的真实工作状态和受力状况，但由于数　

据量较大，不能实时地把所有信息传输到地面，只能在　

井下存储，起钻后利用专用软件进行分析，这大大限制　

了井下测量信息的应用。地面测量方法简单，易于大　

量信息的传输和实时分析，可用于对井下钻具状态进　

行在线识别和诊断，具有较强的现场实用性。Ｍａｃｐｈｅｒ．　

ｓｏｎ等　通过现场试验研究认为，地面和井下测量的钻　

柱振动除了衰减和少量频段振动波形有所区别外，绝　

大部分波形基本相同。因此，可以利用地面测量的振　

动信号来识别井下钻具的工作状况。　

国内外研究表明，低频区（振动频率＜１００　Ｈｚ）主　

要反映了钻柱的工作状态，高频区则反映了岩石的破　

碎特征¨　。目前，国内外对钻柱三维振动加速度的地　

面测量分析研究很少，利用低频段振动信号对钻柱工　

作状态进行识别方面的研究未见相关报道。本研究的　

重点是测量和分析钻柱工作过程中的纵向振动、扭转　

振动和横向振动在低频段的特性，研究钻进参数（钻　

压、转速等）对振动信号的影响，探索钻柱在不同工况　

下的振动信号特点，从而对钻具的工作状态进行在线　

识别和诊断。　

１钻柱振动的形式及危害　

钻进的过程中，钻柱振动是由于钻柱与井壁、钻头　

与岩石之间的相互作用而产生的复杂振动。钻具振动　

主要形式有纵向振动、扭转振动和不规则的横向振动。　

１．１钻柱纵振的原因及特征　钻进过程中，由于井底的不平整、牙轮钻头牙齿间　

隔接触井底、钻头破岩过程中受到不稳定的反作用力　

等因素都会引起钻具的纵振。振幅的大小与钻柱的固　

有频率和激励力的大小有关，当激励源的频率与钻柱　

的某一阶的固有频率相近时，钻具就会产生共振现象。　

共振产生的强大冲击载荷加速了钻具的疲劳过程，导　

致钻柱、钻头、井下动力钻具以及ＭＷＤ等下井工具的　

损坏。这种现象在井深较浅时很容易产生。纵振剧烈　

时，表现为大钩负荷出现高振幅的振动。　１．２钻柱扭振成因及特征　

钻具在转动过程中，由于钻具的公转或涡动，外径　

较大的接头或弯曲钻具会不断地敲击井壁产生“粘卡”　

现象，从而产生较大的磨阻，导致井下钻具旋转减缓甚　

至停止，使得钻柱的旋转能量在钻柱中逐渐积累，当在　钻柱中积累的扭转力足够克服井壁与钻具问的磨阻　

时，瞬间产生“释放”现象，此时钻头和钻具以高速旋转　

释放能量。此现象称为钻柱的粘卡一释放（Ｓｔｉｃｋ—　

Ｓｌｉｐ），它是扭转振动产生的主要原因　。　严重的粘卡会造成卡点以上附近钻具超扭矩，导　

致钻具内部的永久变形，持续的粘卡能引起钻具的疲　

劳破坏。当能量释放时，钻头产生高速转动致使钻头　切割部件的损坏。其次，ＢＨＡ侧向振动能伴随ＢＨＡ旋　

转加速，产生严重的交变应力，从而导致钻具由薄弱环　

节脱落井落、刺穿甚至于扭断。当钻具中有较大尺寸　

的扶正器时，经常出现钻具损坏的现象，这正是粘卡造　

成的后果。另外，钻具的粘卡一释放也是造成钻具的　涡动的原因之一，二者相辅相成。　

１．３钻柱横向振动产生原因及特征　

钻柱横向振动主要表现是不规则的横向摆动，它　是由钻柱的偏转或涡动（ｗｈｉｒ１）造成的。钻柱产生偏转　

的原因与钻头结构、地层特性、井眼条件和钻进参数有　

关，相同条件下ＰＤＣ钻头比牙轮钻头易产生偏转。钻　

具在转动过程中，当钻头或ＢＨＡ钻具的任何部分偏离　井眼的中心线转动时，就出现钻头或钻具的偏转和　

涡动。　钻柱涡动会导致钻柱在高频率下的交变应力，最　终产生疲劳破坏。一般情况下，钻具涡动的轨迹是不　

稳定的，其瞬时旋转中心不断变化，造成钻头切削齿可　

能横向甚至向后切削井底岩石，从而引起ＰＤＣ钻头复　合片损坏或剥落，缩短了钻头的寿命。另外，钻具的涡　

动会造成井径扩大和钻速降低。　

钻具的扭转振动、纵向振动和横向振动虽然各有　区别，但又相互联系和耦合。现场试验表明，一种振动　

的产生，常常会引起其它两种形式的振动。　

２钻柱振动信号测量系统的组成　

振动信号的测量大多采用加速度传感器，目前，测　

振加速计有应变式、电容式、电阻式和压电式等。压电　

式加速度计由于体积小、结构简单、性能可靠、工作频　

带宽，在振动测量方面得到了广泛的应用。　

本研究采用的钻柱振动信号监测系统的组成如图　

１所示，它由前端和后端两部分组成。前端由测振传感　器模块、无线数据传输模块和供电模块组成，如图２所　

示。它负责振动信号的采集、滤波和进行数据打包后　

的发送。后端由无线数据接收单元和计算机组成，主　

要完成数据的接受和对振动信号的分析处理。