扭矩波動系數法監測鉆頭運行狀況

楊明清 李三國 王成彪

1．中國地質大學（北京）工程技術學院 2．中國石化石油工程技術服務有限公司測錄井事業部 3．中國石化石油工程技術研究院

在石油鉆井中，鉆頭是破巖的主要工具之一，其運行狀況直接影響著鉆井施工的進度［1］。鉆頭扭矩是鉆井現場采集的重要參數之一［2］，鉆井操作人員往往依靠扭矩參數的變化來判斷井下鉆頭運行狀況［3］。一般來說，當扭矩曲線波動幅度較小時，表示井下鉆頭工作正常；當扭矩曲線波動幅度較大時，表示鉆頭壽命即將終結［4］，在這種情況下繼續鉆進，會嚴重影響機械鉆速，尤其在深井、超深井中，不利于提速提效，而且有可能發生鉆頭掉入井內的嚴重事故，需要把留在井內的鉆頭打撈出來，不僅耗費大量的財力物力，甚至可能井眼報廢，造成巨大的損失［5］。

多年來，利用該方法，多次成功預測、監測鉆頭壽命終結，為安全鉆井做出了較大的貢獻［6］。但是，該方法存在測量位置不固定、無法測量力臂、無法準確賦予扭矩初始值等缺陷，造成判斷扭矩異常時沒有統一的標準，往往出現預測不及時及誤判等情況［7］。為此，提出了監測“扭矩波動系數”，代替現有監測扭矩絕對值的方法，判斷鉆頭運行狀況，能有效消除現有方法的弊端，提高監測的準確性。

1 現有鉆頭運行狀況監測方法的不足

鉆機可分為兩類，機械傳動鉆機和電傳動鉆機。當使用機械傳動鉆機時，測出鉆進時方鉆桿的力及力臂，二者乘積即為方鉆桿扭矩，用方鉆桿扭矩來代替鉆頭扭矩；當使用電傳動鉆機時，用電源線電流的大小直接反映鉆頭扭矩的大小，電流增大意味著鉆頭扭矩增大，反之亦然。這兩種方法在監測鉆頭運行狀況時，都存在無法直接測量鉆頭扭矩值及結果不夠準確等問題。

1．1 無法直接測量鉆頭扭矩值

目前，測量鉆頭扭矩的傳感器有兩種，使用機械傳動鉆機時，扭矩測量為壓力型傳感器，使用電傳動鉆機時，扭矩測量為電流型傳感器［8］。使用壓力型傳感器時，測量的只是壓力值，而不是扭矩值。理論上，扭矩是力與力臂的乘積，力臂一般為固定值，只是測量出力的值，二者相乘，就可以得到扭矩值。在實際測量中，壓力傳感器的類型有多種多樣，不同的傳感器安裝在鉆機上的位置不同，一般安裝在轉盤頂絲、萬向軸、傳動鏈條下面等位置，有些測點的位置無法測量其力臂的大小，而且不同的操作人員，所獲取的力臂值各不相同，導致扭矩值不夠準確。使用電流型傳感器時，測量的是鉆機傳動電纜的電流值，根據電流值的大小來判斷鉆頭扭矩的大小，操作人員無法獲取不同電流下準確的扭矩值，只能根據經驗估算一個初始扭矩值，根據電流變化情況判斷鉆頭扭矩的增加或減小，進而監測鉆頭運行狀況。不同扭矩傳感器、不同鉆機、不同的操作人員，所賦予的初始扭矩值往往各不相同，沒有統一的標準，造成扭矩值不夠準確。

1．2 鉆頭運行狀況監測結果不夠準確

由于測量的扭矩值大小不一，在判斷鉆頭運行狀況時沒有標準。現有的監測方法一般從兩個方面判斷鉆頭運行狀況，一是設置一個鉆井扭矩參數門限值，當扭矩值低于該門限值時，認為是安全鉆進，當扭矩值超過該門限值時，認為鉆頭壽命即將終結，事實上，在鉆進過程中，無法直接測量鉆頭扭矩［9］，而是測量井口處鉆柱的扭矩，隨著井深的增加，鉆具逐漸增長，鉆具與井壁的摩擦力逐漸增加［10］，加之井壁的不穩定性，即使鉆頭扭矩不增加，井口處鉆柱的扭矩仍會增加［11］。二是監測扭矩的波動頻率，采用人工監測的方式，當發現扭矩曲線波動較大時，即認為鉆頭壽命即將終結［12］。

由此看來，當鉆頭使用效果變差時，雖然鉆頭扭矩值增加了，但不同井、不同井段、不同操作人員所獲得的扭矩值的增加幅度卻大小不一，此時用設置門限的方式判斷鉆頭運行狀況，往往造成誤判。其實，不管扭矩值的大小如何，當鉆頭壽命即將終結時，所測得的扭矩值會明顯偏離扭矩值的主要趨勢值，變得非常分散，從感官上，扭矩曲線“抖動”非常厲害。在數學上，一般用標準差來衡量一組數據中隨機變量與其平均值之間的偏離程度，標準差大則表示該組數據波動比較嚴重；該組數據的平均值則反映了這組數據的整體趨勢，該組數據標準差與平均值的比值，即反映了該組數據分散的程度。在鉆井中，每一個扭矩值就是一個隨機變量，求出一組扭矩數據的標準差及平均值，二者比值即可反映出鉆頭的運行狀況。

2 “扭矩波動系數”的監控方法

2．1 扭矩值標準差的計算

在實際鉆井中，每采集一個扭矩值，隨即計算出該測點以上一定范圍內扭矩值的標準差。

式中σi為某測點扭矩值的標準差，kN·m；Wi為某測點的扭矩值，kN·m；珨Wi為某測點扭矩及前l個點扭矩的平均值，kN·m；i為扭矩測量點數，i＝1，2，3，……；l為i測點以上測點的個數。

2．2 扭矩平均值的計算

由于不同井、同一口井不同井段扭矩的絕對值大小不一，所以其標準差也是大小不一，標準差的大小不但取決于扭矩值的分散程度，還取決于扭矩趨勢值的大小，為此，計算出一定范圍內扭矩的平均值，來衡量扭矩趨勢值的大小。

在同一口井中，l應取同一個值。

2．3 “扭矩波動系數”的計算

由于現有的監測鉆頭運行狀況的方法存在一定的缺陷，為此，引入“扭矩波動系數”的概念，不需增加軟硬件，只需改善監測方法，監測鉆頭運行狀況，“扭矩波動系數”為：

式中ki為“扭矩波動系數”，無量綱。

σi的值反映了扭矩曲線絕對波動幅度值的大小，珨Wi的值反映了扭矩曲線基值的大小，二者的比值反映了扭矩曲線相對波動幅度值的大小，該值消除了由于不同扭矩傳感器、不同鉆機、不同的操作人員造成的影響，能更加客觀地反映鉆頭運行狀況。在實際鉆進中，每測得一個新扭矩值Wi，根據公式（3），即可計算得出一個新的“扭矩波動系數”ki，根據“扭矩波動系數”ki來監測井下鉆頭運行狀況。l為計算Wi、珨Wi及σi的測點的個數，l的值應在一定的范圍內，太大則ki的值不夠靈敏，影響鉆頭運行狀況監測效果，太小則個別波動較大的Wi造成誤判。現有的采集頻率為每秒60點，所以l取20左右為宜，即監控20s內扭矩的離散程度。在鉆進過程中，每采集一個扭矩值，即可獲得一個新的Wi、珨Wi及σi。

2．4 “扭矩波動系數”值的確定

在鉆進過程中，監測ki值的大小，即可監測鉆頭運行情況。理論上，當扭矩值無波動時，ki的值為零，隨著扭矩值波動的加劇，ki值隨之增加。對以往16口井鉆頭終結時扭矩曲線進行分析得出，當ki＞0．25時，表示井下鉆頭壽命即將終結；當ki≤0．15時，表示井下鉆頭工作正常；當0．15＜ki≤0．25時，表示井下鉆頭的使用狀況變差。在鉆井現場，Wi為計算機實時連續自動采集的參數，可將“扭矩波動系數”的計算方法編成小程序，每采集一個Wi參數，可實時獲取相應的珨Wi和σi，即可用σi進行鉆頭運行狀況監測。

3 現場試驗

圖1 T1井扭矩曲線圖

為了驗證該方法監測效果，選取T1、T2兩口井進行了現場試驗，每口井都采用兩種監測方法，一種采用傳統的設置扭矩參數門限值的方法，另一種采用設置“扭矩波動系數”門限值的方法。圖1、2分別為T1井、T2井的某井段鉆進扭矩曲線圖，圖1反映T1井扭矩值的趨勢在30±14kN·m；圖2反映T2井扭矩值的趨勢在42±17kN·m。從曲線分析，無論扭矩值的大小，還是扭矩波動幅度大小，T2井都比T1井嚴重，似乎T2井的鉆頭更接近終結。

圖3、4分別為T1井、T2井相應井段 “扭矩波動系數”曲線圖?？梢钥闯觯琓1井明顯大于T2井，經計算可知，T1井“扭矩波動系數”值約為0．297，T2井“扭矩波動系數”值約為0．155。由“扭矩波動系數”值可以看出，T1井鉆頭更接近于壽命終結。經起鉆驗證，T1井所使用的鉆頭牙輪已經松動，如果再不更換鉆頭，很可能造成鉆頭牙輪掉入井里的事故，而T2井的鉆頭基本完好，還可以繼續使用。

圖3 T1井扭矩波動系數曲線圖

圖4 T2井扭矩波動系數曲線圖

4 結論與建議

1）現有的鉆頭扭矩運行狀況監測方法受不同扭矩傳感器、不同鉆機、不同的操作人員影響較大，往往造成誤判，“扭矩波動系數”的引入，能夠有效避免該影響，更加準確監測鉆頭運行狀況。

2）該方法不需要增加壓力傳感器等硬件，也不需要對鉆機等進行改造，不需要增加人員成本，只需在現有采集扭矩參數的基礎上進行簡單的數據處理即可，可在所有的鉆井現場推廣使用。

3）若能增加鉆井扭矩數據采集頻率，配合轉盤轉速、大鉤負荷、立管壓力等參數，并通過快速頻譜分析、傅式積分變換，可實現井下鉆具振動監測，會增加鉆頭運行狀態監測效果。在近鉆頭處采集鉆頭扭矩信息，將成為扭矩測量的發展方向。

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