對(duì)鉆具振動(dòng)信號(hào)分析

許長(zhǎng)生

摘 要：鉆具振動(dòng)信號(hào)是一種極其復(fù)雜多樣的振動(dòng)波，能實(shí)時(shí)體現(xiàn)井下的工況信息。文章作者首先對(duì)鉆具振動(dòng)的現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，緊接著介紹鉆具振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，并針對(duì)具體的鉆具振動(dòng)信號(hào)分析方法進(jìn)行闡述，從而有利于優(yōu)化鉆井參數(shù)，加快鉆井速度，降低鉆頭與鉆柱的早期損壞概率，避免出現(xiàn)鉆頭與卡鉆事故，減少鉆井成本，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：鉆具；振動(dòng)信號(hào)；機(jī)理

鉆具振動(dòng)信號(hào)具有實(shí)時(shí)體現(xiàn)井下工況的作用，它涵蓋了結(jié)構(gòu)與機(jī)械的內(nèi)在特征與運(yùn)作情況。所以說(shuō)，實(shí)時(shí)檢測(cè)并分析鉆具振動(dòng)信號(hào)，能夠識(shí)別出鉆具的工作狀態(tài)及其可能出現(xiàn)的機(jī)械故障問(wèn)題。作者在下文中將重點(diǎn)闡述鉆具振動(dòng)及其產(chǎn)生機(jī)理，并提出并分析三種鉆具振動(dòng)信號(hào)分析方法。

1 鉆具振動(dòng)的現(xiàn)狀

目前，鉆具振動(dòng)雖已取得了一定的發(fā)展，且深受人們關(guān)注，但我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于鉆具振動(dòng)信號(hào)的研究尚處在初始階段，依舊有不少問(wèn)題存在。

（1）尚未真正地掌握鉆具振動(dòng)的綜合規(guī)律，無(wú)法充分運(yùn)用鉆具振動(dòng)信號(hào)，不知如何深入探究鉆井的優(yōu)化，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行巖性識(shí)別與工況分析。

（2）井下振動(dòng)的測(cè)量點(diǎn)同鉆頭之間存在一定距離，這無(wú)疑會(huì)削弱振動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生信噪比。為此，我們要對(duì)井下的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并深入研究鉆頭振動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確度與數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

2 鉆具振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理闡述

2.1 鉆具橫向振動(dòng)的成因及特點(diǎn)

偏轉(zhuǎn)是橫向振動(dòng)的一大反應(yīng)。實(shí)際上，鉆具之所以會(huì)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，主要是由于地層特征、鉆井參數(shù)、鉆頭構(gòu)造以及井眼條件等因素的影響。在同等條件下，牙輪鉆頭出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的可能性要比PDC鉆頭低。當(dāng)鉆具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若BHA鉆具或者鉆頭的任意一處與井眼的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)相互偏離，那么鉆具或者鉆頭就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。一旦開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，就會(huì)形成較大的離心力，讓接觸點(diǎn)部位形成摩擦力，從而確保偏轉(zhuǎn)的正常進(jìn)行。然而，鉆具偏轉(zhuǎn)會(huì)使得鉆具在高頻率的交變應(yīng)力下形成疲勞破壞。

在一般情況下，鉆具偏轉(zhuǎn)的軌跡會(huì)出現(xiàn)一定的變動(dòng)，鉆桿的扶正器或者接頭并非一直緊靠井壁，而是持續(xù)敲擊井壁，其瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心也在不斷地變動(dòng)，導(dǎo)致鉆頭切削齒向后或橫向切削井底巖石，進(jìn)而導(dǎo)致PDC鉆頭復(fù)合片掉下來(lái)，減少鉆頭的使用時(shí)間。此外，鉆具的偏轉(zhuǎn)會(huì)造成鉆速下降與井徑擴(kuò)大。

2.2 鉆具縱向振動(dòng)的成因及特點(diǎn)

在開(kāi)展鉆井作業(yè)的過(guò)程中，不論是牙輪鉆頭的牙齒間隔與井底接觸，還是井底的不平整抑或是鉆頭破巖時(shí)受到的不穩(wěn)定縱向反作用力，均會(huì)對(duì)鉆具施壓，進(jìn)而使鉆具出現(xiàn)縱向振動(dòng)。鉆頭接觸井底的垂直振動(dòng)是平和的縱向振動(dòng)的主要反應(yīng)形式，其振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅度均較小。然而，一旦激勵(lì)源的頻率和鉆柱的某一階的固有頻率差不多時(shí)，鉆具就會(huì)形成共振，造成鉆頭剎那間與井底脫離，鉆頭在井底彈跳。共振的形成會(huì)加劇原先的縱向振動(dòng)，此時(shí)巨大的沖擊荷載無(wú)疑會(huì)加快鉆具的疲勞速度，終致井下渦輪鉆具、鉆頭等井下工具實(shí)現(xiàn)就被破壞掉。其主要體現(xiàn)在大鉤負(fù)荷的振動(dòng)高負(fù)荷上，而扭矩與鉆速也會(huì)出現(xiàn)很顯著的變化。此外，直井、可鉆性差的致密地層、牙輪鉆頭以及硬質(zhì)研磨巖性均會(huì)加劇縱向振動(dòng)。

2.3 鉆具扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的成因及特點(diǎn)

在鉆入時(shí)，因鉆柱本身井壁的不規(guī)則與鉆柱的彎曲，井壁和鉆柱的相互碰撞與摩擦，鉆頭鉆碎巖石的時(shí)候會(huì)受反作用力的影響出現(xiàn)周期性的變化，造成鉆具的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。鉆具粘滑是扭轉(zhuǎn)鉆洞的一種體現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因鉆具的偏轉(zhuǎn)或者公轉(zhuǎn)，外徑偏大的彎曲鉆具或接頭會(huì)對(duì)井壁進(jìn)行持續(xù)敲擊與碰撞，形成很大的摩擦阻力，最終使得井下鉆具旋轉(zhuǎn)的速度放緩，更有甚者會(huì)立馬停止，讓鉆柱的旋轉(zhuǎn)能量逐步匯聚在鉆柱內(nèi)。一旦鉆柱內(nèi)的扭轉(zhuǎn)力能抵抗鉆具和井壁間的摩擦阻力，那么鉆具與鉆頭就會(huì)在剎那間以高速旋轉(zhuǎn)的形式將能量釋放出來(lái)。若粘滑嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致卡點(diǎn)以上周遭的鉆具超扭矩，導(dǎo)致鉆具長(zhǎng)期變形，不斷的粘滑也許會(huì)造成鉆具的疲勞損壞。

盡管鉆具的縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及橫向振動(dòng)都各有不同，但有聯(lián)系緊密。一般而言，三種振動(dòng)中的任何一種形成，通常會(huì)有其它兩種形式的振動(dòng)出現(xiàn)，后者出現(xiàn)的破壞性與嚴(yán)重性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前者。

3 鉆具振動(dòng)信號(hào)分析方法

3.1 鉆具振動(dòng)信號(hào)的特征值

鉆具振動(dòng)信號(hào)的基本特性一般以統(tǒng)計(jì)函數(shù)進(jìn)行描述的，這里說(shuō)的統(tǒng)計(jì)函數(shù)包括互相關(guān)函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)、互譜密度函數(shù)、均方值、自功率譜密度函數(shù)。在這當(dāng)中，互譜密度函數(shù)與互相關(guān)函數(shù)分別是從頻域與時(shí)域的角度針對(duì)鉆具振動(dòng)信號(hào)的相互依賴(lài)程度進(jìn)行描述；自功率譜密度函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)則分別從頻域與時(shí)域的角度，針對(duì)在不同時(shí)刻相關(guān)鉆具振動(dòng)信號(hào)的依賴(lài)性進(jìn)行描述；均方值則主要針對(duì)鉆具振動(dòng)強(qiáng)度或者振動(dòng)能量進(jìn)行描述。

3.2 小波變換的分析方法

鉆具在鉆入過(guò)程中會(huì)有很多非平穩(wěn)信號(hào)存在，且其運(yùn)行狀態(tài)的變幅較大。在運(yùn)行時(shí)，鉆具時(shí)常出現(xiàn)鉆具故障或者不穩(wěn)定振動(dòng)，最終使得動(dòng)態(tài)信號(hào)的平穩(wěn)性受到很大的影響。可以說(shuō)，非平穩(wěn)性能在一定程度上反映出鉆具出現(xiàn)了一些故障。一般來(lái)說(shuō)，鉆具在開(kāi)鉆、停鉆過(guò)程中的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速等都不大平穩(wěn)。小波分析帶有頻域分析與時(shí)域分析能力，再加上有著可變的時(shí)頻分辨率，可以很精準(zhǔn)地分析非平穩(wěn)信號(hào)。

與此同時(shí)，鉆具在鉆入過(guò)程中所形成的振動(dòng)信號(hào)時(shí)常會(huì)夾雜噪聲信號(hào)，因此一旦鉆具出現(xiàn)故障，這種噪聲信號(hào)的性質(zhì)立馬就會(huì)改變，所以，我們也可以通過(guò)噪聲信號(hào)，具體診斷鉆具故障。此外，在借助高頻率振動(dòng)波識(shí)別地層巖性的時(shí)候，我們要充分運(yùn)用小波變換實(shí)施高通濾波，把不超過(guò)500Hz的信號(hào)清除，采取能譜分析的手段對(duì)鉆頭研磨不同巖石過(guò)程中的振動(dòng)特性進(jìn)行研究與觀察。

3.3 頻譜分析方法

鉆具振動(dòng)的隨機(jī)信號(hào)主要有非周期振動(dòng)與周期振動(dòng)兩種，其中，非周期振動(dòng)又叫沖擊振動(dòng)。由于我們很難在時(shí)間域內(nèi)清晰地辨別出其振動(dòng)特點(diǎn)，一般都采用以下方法，即：把信號(hào)由時(shí)間域帶到特性更易識(shí)別的某個(gè)域，再實(shí)施特征提取識(shí)別，進(jìn)而對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)，即頻譜分析。針對(duì)鉆具振動(dòng)信號(hào)實(shí)施頻譜分析，既能及時(shí)了解井下的工作情況，又能及時(shí)判斷出鉆頭所鉆入地層的變化。

頻譜，顧名思義，是在頻率域振動(dòng)信號(hào)隨著頻率的分布特性，它主要包括相位譜、能量譜等，鉆具振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析之所以要建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)上，是為了：（1）得出振動(dòng)信號(hào)中所有頻率成分的幅值，從而得到顯著頻率成分及其對(duì)應(yīng)的幅值；（2）得出振動(dòng)信號(hào)中所有頻率的分布范區(qū)域與頻率成份。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉆具振動(dòng)信號(hào)的理論及產(chǎn)生機(jī)理的研究，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）實(shí)時(shí)檢測(cè)并研究鉆具振動(dòng)信號(hào)有利于減少鉆井成本，提高鉆井的速度。

（2）要合理調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速與鉆壓，改變鉆具的不穩(wěn)定振動(dòng)的情況，從而延長(zhǎng)鉆具的使用時(shí)間。

（3）我國(guó)在鉆具振動(dòng)的測(cè)量與運(yùn)用方面的研究尚處于初始階段，亟待進(jìn)一步研究與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]劉本永.非平穩(wěn)信號(hào)分析導(dǎo)論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：1-168.

[2]韓春杰，閻鐵，畢雪亮，等.鉆柱橫向振動(dòng)規(guī)律及應(yīng)用[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，2（1）：14-16.

[3]劉志國(guó)，陳實(shí).鉆柱振動(dòng)信號(hào)的分析與應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù)，2003，22（8）：21-27.

[4]韓學(xué)巖，武慶河.鉆具振動(dòng)的三種基本形式[J].錄井技術(shù)，2003，14（3）：41-47.

[5]李子豐，張永貴，侯緒田，等.鉆柱縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析[J].工程力學(xué)，2004，21（6）：203-210.