鉆頭振動(dòng)信號(hào)傳播試驗(yàn)及應(yīng)用研究

顧洪成，梁明月

(中石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司，山東 東營 257055)

為減少海上油氣的勘探開發(fā)成本，叢式井在海上油田鉆井中的應(yīng)用越來越廣泛。但由于海上平臺(tái)面積有限，導(dǎo)致叢式井井口比較密集，有時(shí)僅僅相隔數(shù)米(如大密集叢式井)，使得叢式井鉆井過程中很容易發(fā)生井眼碰撞事故[1～3]。為最大限度地減少或杜絕井眼碰撞事故的發(fā)生，克服目前常用的防碰掃描方法的弊端，劉剛等[4,5]提出了一種叢式井防碰技術(shù)，即通過安裝在地面套管頭處的傳感器采集由鉆頭破巖產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到鉆頭距鄰井套管的距離與振動(dòng)波特征之間的關(guān)系，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭在鉆進(jìn)過程中是否靠近鄰井套管。該技術(shù)的核心就是對(duì)套管上的鉆頭振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，得到鄰井與鉆頭的趨近程度等相關(guān)的信息，從而為井眼的防碰工作提供理論依據(jù)，降低鉆井過程中發(fā)生井眼碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

國內(nèi)外對(duì)于鉆具振動(dòng)檢測(cè)及隨鉆地震研究的較多。國外從20世紀(jì)60年代就開展了鉆具振動(dòng)方面的研究，至今已有50多年的歷史。法國的Lutz[6]在20世紀(jì)70年代開發(fā)了一個(gè)稱為瞬態(tài)錄井(snap log)的產(chǎn)品。1984年，ARCO公司技術(shù)人員研發(fā)了“鉆進(jìn)動(dòng)態(tài)控制裝置”[7]，為優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)做出了重要的貢獻(xiàn)。80～90年代，Drumheller等[8，9]對(duì)聲波在鉆柱振動(dòng)中的傳播規(guī)律做了大量卓有成效的研究。90年代石油大學(xué)高巖等[10]在鉆柱振動(dòng)檢測(cè)與分析、鉆柱振動(dòng)聲波錄井技術(shù)方面開展了初步的研究，建立了鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。高巖等[11]、趙國山[12]、謝慧[13]分別在鉆柱振動(dòng)采集系統(tǒng)、牙輪鉆頭的振動(dòng)特性、鉆具振動(dòng)等方面進(jìn)行了研究。但是相關(guān)研究都沒有涉及到振動(dòng)波在井筒及地層不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律。

筆者通過振動(dòng)波傳播規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)研究，得到了不同條件下振動(dòng)波在模擬井筒中的傳播規(guī)律以及在模擬井筒間的衰減規(guī)律(井筒間存在不同的介質(zhì)，如黏土、砂巖、花崗巖等)，從而為基于振動(dòng)波傳播規(guī)律的叢式井防碰技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明井間中心距較小時(shí)，時(shí)域信號(hào)的相對(duì)幅值的增大與井間距的減小存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)叢式井防碰有明確的指導(dǎo)意義。

1 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料主要為模擬井筒、試驗(yàn)巖樣和水泥等，其中模擬井筒如圖1所示。試驗(yàn)井筒尺寸：①直徑分別為50、30、25mm，壁厚5mm，接頭數(shù)量4個(gè)，模擬井筒長(zhǎng)度25m；②直徑25mm，壁厚5mm，接頭數(shù)量8個(gè)，模擬井筒長(zhǎng)度25m；③直徑25mm，壁厚5mm，接頭數(shù)量1個(gè)，模擬井筒長(zhǎng)10m。試驗(yàn)巖樣和水泥尺寸：①模擬水泥池長(zhǎng)度10m；②模擬砂巖體長(zhǎng)度2.5m；③模擬花崗巖體長(zhǎng)度2.5m。試驗(yàn)裝置如圖2所示，有1個(gè)裝有傳感器和配有4種材料錘頭的力錘；加速度傳感器若干、電纜若干；沙子、沙袋、水泥槽、花崗巖、砂巖、水泥等；數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦等。

圖1 試驗(yàn)中使用的模擬井筒(鍍鋅鋼管) 圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2 振動(dòng)信號(hào)在不同材料中的傳播及衰減研究

2.1 振動(dòng)信號(hào)在鋼材中的傳播及衰減

利用25m長(zhǎng)，外徑為50mm的模擬井筒進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將鋼管支撐起來，使其離開地面，用力錘敲擊鋼管一端管壁產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，在鋼管的兩端安裝加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)。

2.1.1在鋼材中的傳播速度

試驗(yàn)中無噪聲干擾，可以直接讀取信號(hào)到達(dá)傳感器處的時(shí)刻t1和t2，然后計(jì)算振動(dòng)波在模擬井筒中的傳播速度：

V=L/(t1-t2)

(1)

式中：V為聲波傳播速度，m/s；L為鋼材長(zhǎng)度，m；t1、t2為信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間，s。

表1即為試驗(yàn)中讀取的時(shí)差和計(jì)算得到的波速。由表1可見，試驗(yàn)中得到的振動(dòng)波在鋼管中的傳播速度為5003m/s。

取鋼的彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3，不考慮頻散的影響，可用：

(2)

式中：E為鋼的彈性模量，GPa；ρ為鋼的密度，kg/m3。求得鋼管中的理論縱波速度為5123m/s，兩者誤差在2.4%左右。

表1 振動(dòng)波在鋼管中的傳播速度測(cè)量結(jié)果

2.1.2在鋼材中的衰減規(guī)律

試驗(yàn)中利用力錘敲擊鋼管產(chǎn)生的信號(hào)作為振動(dòng)信號(hào)，由于每次用力錘敲擊的力度都不一樣，故可采用相對(duì)幅度的方法來消除敲擊力度不同對(duì)衰減的影響。

擬采用3組數(shù)據(jù)分別求得衰減系數(shù)，最后求得其平均值。分別在敲擊點(diǎn)附近和距敲擊點(diǎn)10、25m處安裝傳感器，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 波形的振幅峰值和相對(duì)幅度

2.2 振動(dòng)信號(hào)在水泥石中的傳播及衰減

2.2.1在水泥石中的傳播速度

圖3 水泥石上試驗(yàn)裝置圖

用力錘在水泥石上的某點(diǎn)敲擊，在距該點(diǎn)2.5、5.0、7.5、10m處安裝傳感器，如圖3所示，讀取各傳感器采集到的振動(dòng)波的到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算其時(shí)差，然后通過公式(1)求得振動(dòng)波在水泥石中的傳播速度，結(jié)果見表3。振動(dòng)信號(hào)在水泥中傳播的平均速度為1289m/s。

2.2.2在水泥石中的衰減規(guī)律

用力錘在水泥石上的某點(diǎn)敲擊時(shí)，在距該點(diǎn)2.5、5.0、7.5、10m處所安裝傳感器，接收到的振動(dòng)波的衰減如表4所示，隨著振動(dòng)波在水泥石中傳播距離的增加，振動(dòng)波幅值在衰減。

表3 振動(dòng)波在水泥中傳播的速度分析

表4 振動(dòng)信號(hào)在水泥石中的衰減

圖4 花崗巖及砂巖上試驗(yàn)裝置圖

2.3 振動(dòng)信號(hào)在花崗巖及砂巖中的傳播及衰減

試驗(yàn)中模擬井筒間的介質(zhì)換為花崗巖、砂巖，各鋼管及傳感器布局如圖4所示。試驗(yàn)過程中利用鋼頭敲擊1號(hào)管，所采集到的各通道的振動(dòng)波如圖5所示。

其中0～3號(hào)通道分別對(duì)應(yīng)1～4號(hào)管上的傳感器采集到的振動(dòng)波。可以讀取1～3號(hào)通道相對(duì)于0號(hào)通道的首波時(shí)差，并得到波在花崗巖和砂巖中傳播的時(shí)差及0～3號(hào)管與敲擊管的距離。求取各管振動(dòng)波相對(duì)于敲擊管的時(shí)差平均值，評(píng)價(jià)各管采集到的信號(hào)時(shí)差相對(duì)于平均值的偏離程度，花崗巖和砂巖的處理結(jié)果分別如表5所示。

圖5 試驗(yàn)波形

振動(dòng)波在花崗巖中的時(shí)差與井筒間距的關(guān)系如下：

Δt=0.0005ΔL+0.00003

(3)

式中：Δt為時(shí)差，s；ΔL為時(shí)差所對(duì)應(yīng)的管距，m。

式(3)的斜率為0.0005，而花崗巖中的波速是斜率的倒數(shù)，即該試驗(yàn)條件下中波在花崗巖中的傳播速度為2000m/s。同理可得，波在砂巖中的波速為1250m/s。

不同錘頭材料、不同傳播距離下振動(dòng)波在花崗巖、砂巖中的衰減規(guī)律，如圖6、圖7所示。

表5 振動(dòng)波在花崗巖、砂巖中時(shí)差分析

圖6 不同錘頭、不同傳播距離下振動(dòng)波在花崗巖中的衰減 圖7 不同錘頭敲擊時(shí)振動(dòng)波在砂巖中的衰減

可以得出：①在所采用的試驗(yàn)條件下，振動(dòng)波在砂巖中的波速為1250m/s，在花崗巖中的波速為2000m/s。②無論是砂巖還是花崗巖，當(dāng)振動(dòng)波在其中傳播時(shí)，它的時(shí)差-距離為線性關(guān)系，即波速不變；同時(shí)也說明，等長(zhǎng)度試驗(yàn)鋼管的存在對(duì)振動(dòng)波在巖石中的傳播速度沒有影響。③在已知套管長(zhǎng)度相等的條件下(鉆頭鉆至某一地層，且套管深度變化不大時(shí))，風(fēng)險(xiǎn)鄰井井深相同，就可以通過時(shí)差求得風(fēng)險(xiǎn)井距正鉆井的距離。④振動(dòng)波在砂巖中的衰減高于在花崗巖中的衰減。⑤隨著振動(dòng)波在花崗巖、砂巖傳播距離的增加，振動(dòng)波幅值會(huì)衰減，衰減趨勢(shì)基本呈指數(shù)形式。⑥不同的錘頭敲擊產(chǎn)生的振動(dòng)波在花崗巖、砂巖的衰減程度是不同的，衰減規(guī)律為鋼頭>鋁頭>塑料頭，激發(fā)頻率越高衰減越快。

3 影響因素分析

3.1 頻率的影響

試驗(yàn)?zāi)M鉆頭分別為不銹鋼力錘、橡膠力錘和塑料力錘，各自產(chǎn)生不同頻率的激勵(lì)信號(hào)，計(jì)算平均傳播速度和平均衰減率，結(jié)果如表6所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，模擬鉆頭振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)隨鉆頭的類型、鉆壓、轉(zhuǎn)速等因素的變化而變化；震源頻率越高，衰減越嚴(yán)重；傳播速度不受震源頻率大小影響。

表6 不同鉆頭類型(不同頻率)信號(hào)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表7 不同筒口直徑信號(hào)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 管徑的影響

試驗(yàn)中采用了管徑分別為25、30、50mm且壁厚均為5mm的鋼管進(jìn)行試驗(yàn)，安裝4個(gè)傳感器，第1個(gè)測(cè)點(diǎn)在敲擊點(diǎn)附近，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別距敲擊點(diǎn)10、18、25m，采集并計(jì)算不同管徑、不同位置處的振動(dòng)波振幅大小。通過幅度的對(duì)比分析，得到外徑對(duì)振動(dòng)波速度及衰減的影響規(guī)律。由試驗(yàn)結(jié)果(表7)可知，振動(dòng)波在介質(zhì)中的傳播速度基本不變；井筒外徑越大，自由井筒中振動(dòng)波的瞬時(shí)峰值的衰減越小。

3.3 接頭數(shù)目的影響

模擬井筒分別安裝4接頭和8接頭(井筒的長(zhǎng)度為25m，外徑為25mm)，接頭長(zhǎng)度為3.5cm，與管體本身通過螺紋連接，分別安裝了2個(gè)傳感器，一個(gè)位于敲擊點(diǎn)處，一個(gè)位于距敲擊點(diǎn)25m處，試驗(yàn)結(jié)果見表8。接頭的存在會(huì)使振動(dòng)波的衰減程度增加，接頭越多，振動(dòng)波的衰減越大。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖8 A-6井防碰監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)井示意圖

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在海上某平臺(tái)進(jìn)行，井口如圖8所示，共布井15口，井間距為1.6m×1.8m。其中定向井14口，水平井1口。井斜超過50°的井有5口，超過45°的井有4口，其中有8口井為表層預(yù)定向，造斜點(diǎn)最高85m，最低522m。

自2014年4月25日0:33至07:27(一開)、2014年4月26日21:52至2014年4月27日04:52(二開)，對(duì)A-6井進(jìn)行了防碰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)定向井井身軌跡設(shè)計(jì)資料，利用Compass掃描可以確定風(fēng)險(xiǎn)井為A-4、A-9、A-11、A-12，防碰井段為80～220m。其中A-4井與A-9井在整個(gè)防碰井段風(fēng)險(xiǎn)都比較大，因此對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與分析。

4.1 一開

在鉆至120m井段時(shí)，發(fā)現(xiàn)所檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)井振動(dòng)信號(hào)幅值開始增大，A-4井、A-9井信號(hào)特征更為明顯，且有持續(xù)增大趨勢(shì)，如圖9所示。從上往下依次是A-4井、A-12井、A-11井、A-9井套管頭振動(dòng)信號(hào)，其中A-4井信號(hào)峰值較A-9井大，這說明A-6井鉆頭正在接近A-4井，有碰撞趨勢(shì)，系統(tǒng)此時(shí)發(fā)出預(yù)警指令。

圖9 A-6井防碰監(jiān)測(cè)信號(hào)

經(jīng)MWD測(cè)斜得出數(shù)據(jù)，運(yùn)用Compass掃描(圖10)，可知鉆至120m井段時(shí)A-4井與A-6井中心距在1.5m左右，與A-9井中心距1.8m左右，可以證實(shí)A-6井已經(jīng)在靠近A-4井。

經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析可知當(dāng)兩井中心距變小時(shí)，A-4井振動(dòng)信號(hào)幅值會(huì)逐漸增大(圖11)。A-4井與A-6井的幅值比也會(huì)逐漸增大(圖12)，在最小中心距0.79m時(shí)幅值比達(dá)到最大值0.93。當(dāng)兩井中心距變大時(shí)，A-4井振動(dòng)信號(hào)幅值和幅值比均會(huì)逐漸減小。

圖10 A-6井實(shí)測(cè)掃描圖

圖11 A-4井與A-6井振動(dòng)幅值隨井深變化關(guān)系 圖12 A-4井與A-6井幅值比與中心距的關(guān)系

另一口風(fēng)險(xiǎn)井A-9井也是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，但是從其信號(hào)特征上可知其幅值逐漸降低，如圖13、14所示，可反映出正鉆井A-6井正逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)井，其幅值比也是成下降趨勢(shì)，并無明顯的陡增特征。因此與A-9井碰撞的風(fēng)險(xiǎn)越來越小。

圖13 A-9井與A-6井振動(dòng)幅值隨井深變化關(guān)系 圖14 A-9井與A-6井幅值比與中心距的關(guān)系

4.2 二開鉆塞

2014年2月26日在21：54時(shí)，412m處，采集靈敏度為0.01，磨水泥塞。其信號(hào)特征如圖15所示，從上往下依次為A-1井、A-4井、A-6井、A-9井信號(hào)曲線，A-6井峰值均在2以上，其他3口井峰值在0.1～1.0之間。

圖15 鉆塞中的振動(dòng)波形

圖16 A-4井峰值圖

4.3 二開鉆頭遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)井

鉆開水泥塞之后開始定向，A-6井逐漸遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)井，風(fēng)險(xiǎn)井振動(dòng)幅值逐漸變小。如圖16所示，A-4井在A-6井井深412m后，振幅呈逐漸減小趨勢(shì)。

5 結(jié)論

1)振動(dòng)波在鋼中的傳播速度為5003m/s；振動(dòng)波在花崗巖中的傳播速度為2000m/s；振動(dòng)波在水泥石中的傳播速度為1289m/s；振動(dòng)波在砂巖中的傳播速度為1250m/s。說明在所采用的模擬套管柱條件下，振動(dòng)波的傳播速度符合密度越大，速度越高的規(guī)律。

2)振動(dòng)波在鋼、花崗巖、水泥石、砂巖中傳播時(shí)的衰減率依次提高，說明材料強(qiáng)度越低，膠結(jié)質(zhì)量越差，對(duì)振動(dòng)的吸收越強(qiáng)。

3)震源頻率越高，衰減越嚴(yán)重，傳播速度不受震源頻率大小影響；隨管徑增大瞬時(shí)峰值衰減減小，傳播速度基本不隨管徑改變；接頭越多，衰減越嚴(yán)重。

4)通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分析了鉆頭距鄰井套管不同距離處時(shí)振動(dòng)波的強(qiáng)度特征，得到了鉆頭距鄰井距離與振動(dòng)波幅值之間的關(guān)系。井間中心距較小時(shí)，時(shí)域信號(hào)的相對(duì)幅值的增大與井間距的減小存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)叢式井防碰有明確的指導(dǎo)意義。

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