对钻具振动信号分析

许长生

摘 要：钻具振动信号是一种极其复杂多样的振动波，能实时体现井下的工况信息。文章作者首先对钻具振动的现状进行阐述，紧接着介绍钻具振动的产生机理，并针对具体的钻具振动信号分析方法进行阐述，从而有利于优化钻井参数，加快钻井速度，降低钻头与钻柱的早期损坏概率，避免出现钻头与卡钻事故，减少钻井成本，以供同行参考。

关键词：钻具；振动信号；机理

钻具振动信号具有实时体现井下工况的作用，它涵盖了结构与机械的内在特征与运作情况。所以说，实时检测并分析钻具振动信号，能够识别出钻具的工作状态及其可能出现的机械故障问题。作者在下文中将重点阐述钻具振动及其产生机理，并提出并分析三种钻具振动信号分析方法。

1 钻具振动的现状

目前，钻具振动虽已取得了一定的发展，且深受人们关注，但我国国内对于钻具振动信号的研究尚处在初始阶段，依旧有不少问题存在。

（1）尚未真正地掌握钻具振动的综合规律，无法充分运用钻具振动信号，不知如何深入探究钻井的优化，不能准确地进行岩性识别与工况分析。

（2）井下振动的测量点同钻头之间存在一定距离，这无疑会削弱振动信号，产生信噪比。为此，我们要对井下的振动进行实时的检测，并深入研究钻头振动测量的准确度与数据传送的可靠性。

2 钻具振动的产生机理阐述

2.1 钻具横向振动的成因及特点

偏转是横向振动的一大反应。实际上，钻具之所以会出现偏转，主要是由于地层特征、钻井参数、钻头构造以及井眼条件等因素的影响。在同等条件下，牙轮钻头出现偏转的可能性要比PDC钻头低。当钻具在转动时，若BHA钻具或者钻头的任意一处与井眼的中心线转动相互偏离，那么钻具或者钻头就会发生偏转。一旦开始偏转，就会形成较大的离心力，让接触点部位形成摩擦力，从而确保偏转的正常进行。然而，钻具偏转会使得钻具在高频率的交变应力下形成疲劳破坏。

在一般情况下，钻具偏转的轨迹会出现一定的变动，钻杆的扶正器或者接头并非一直紧靠井壁，而是持续敲击井壁，其瞬时旋转中心也在不断地变动，导致钻头切削齿向后或横向切削井底岩石，进而导致PDC钻头复合片掉下来，减少钻头的使用时间。此外，钻具的偏转会造成钻速下降与井径扩大。

2.2 钻具纵向振动的成因及特点

在开展钻井作业的过程中，不论是牙轮钻头的牙齿间隔与井底接触，还是井底的不平整抑或是钻头破岩时受到的不稳定纵向反作用力，均会对钻具施压，进而使钻具出现纵向振动。钻头接触井底的垂直振动是平和的纵向振动的主要反应形式，其振动频率与振动幅度均较小。然而，一旦激励源的频率和钻柱的某一阶的固有频率差不多时，钻具就会形成共振，造成钻头刹那间与井底脱离，钻头在井底弹跳。共振的形成会加剧原先的纵向振动，此时巨大的冲击荷载无疑会加快钻具的疲劳速度，终致井下涡轮钻具、钻头等井下工具实现就被破坏掉。其主要体现在大钩负荷的振动高负荷上，而扭矩与钻速也会出现很显著的变化。此外，直井、可钻性差的致密地层、牙轮钻头以及硬质研磨岩性均会加剧纵向振动。

2.3 钻具扭转振动的成因及特点

在钻入时，因钻柱本身井壁的不规则与钻柱的弯曲，井壁和钻柱的相互碰撞与摩擦，钻头钻碎岩石的时候会受反作用力的影响出现周期性的变化，造成钻具的扭转振动。钻具粘滑是扭转钻洞的一种体现，在转动时，因钻具的偏转或者公转，外径偏大的弯曲钻具或接头会对井壁进行持续敲击与碰撞，形成很大的摩擦阻力，最终使得井下钻具旋转的速度放缓，更有甚者会立马停止，让钻柱的旋转能量逐步汇聚在钻柱内。一旦钻柱内的扭转力能抵抗钻具和井壁间的摩擦阻力，那么钻具与钻头就会在刹那间以高速旋转的形式将能量释放出来。若粘滑严重，会导致卡点以上周遭的钻具超扭矩，导致钻具长期变形，不断的粘滑也许会造成钻具的疲劳损坏。

尽管钻具的纵向振动、扭转振动以及横向振动都各有不同，但有联系紧密。一般而言，三种振动中的任何一种形成，通常会有其它两种形式的振动出现，后者出现的破坏性与严重性要远远超过前者。

3 钻具振动信号分析方法

3.1 钻具振动信号的特征值

钻具振动信号的基本特性一般以统计函数进行描述的，这里说的统计函数包括互相关函数、自相关函数、互谱密度函数、均方值、自功率谱密度函数。在这当中，互谱密度函数与互相关函数分别是从频域与时域的角度针对钻具振动信号的相互依赖程度进行描述；自功率谱密度函数与自相关函数则分别从频域与时域的角度，针对在不同时刻相关钻具振动信号的依赖性进行描述；均方值则主要针对钻具振动强度或者振动能量进行描述。

3.2 小波变换的分析方法

钻具在钻入过程中会有很多非平稳信号存在，且其运行状态的变幅较大。在运行时，钻具时常出现钻具故障或者不稳定振动，最终使得动态信号的平稳性受到很大的影响。可以说，非平稳性能在一定程度上反映出钻具出现了一些故障。一般来说，钻具在开钻、停钻过程中的负荷与转速等都不大平稳。小波分析带有频域分析与时域分析能力，再加上有着可变的时频分辨率，可以很精准地分析非平稳信号。

与此同时，钻具在钻入过程中所形成的振动信号时常会夹杂噪声信号，因此一旦钻具出现故障，这种噪声信号的性质立马就会改变，所以，我们也可以通过噪声信号，具体诊断钻具故障。此外，在借助高频率振动波识别地层岩性的时候，我们要充分运用小波变换实施高通滤波，把不超过500Hz的信号清除，采取能谱分析的手段对钻头研磨不同岩石过程中的振动特性进行研究与观察。

3.3 频谱分析方法

钻具振动的随机信号主要有非周期振动与周期振动两种，其中，非周期振动又叫冲击振动。由于我们很难在时间域内清晰地辨别出其振动特点，一般都采用以下方法，即：把信号由时间域带到特性更易识别的某个域，再实施特征提取识别，进而对振动信号进行分类，即频谱分析。针对钻具振动信号实施频谱分析，既能及时了解井下的工作情况，又能及时判断出钻头所钻入地层的变化。

频谱，顾名思义，是在频率域振动信号随着频率的分布特性，它主要包括相位谱、能量谱等，钻具振动信号的频谱分析之所以要建立在傅里叶变换的基础上，是为了：（1）得出振动信号中所有频率成分的幅值，从而得到显著频率成分及其对应的幅值；（2）得出振动信号中所有频率的分布范区域与频率成份。

4 结束语

通过对钻具振动信号的理论及产生机理的研究，得出以下几个结论：

（1）实时检测并研究钻具振动信号有利于减少钻井成本，提高钻井的速度。

（2）要合理调节转盘转速与钻压，改变钻具的不稳定振动的情况，从而延长钻具的使用时间。

（3）我国在钻具振动的测量与运用方面的研究尚处于初始阶段，亟待进一步研究与发展。

参考文献

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