楊全枝，張曉斌，于小龍，張文哲，雷 茹

(1．陜西延長石油〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075;2．長慶油田采油三廠，寧夏銀川750006)

0 引言

石油鉆井過程中，鉆頭破碎井底巖石時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，早在1963年，Deily等人利用由鉆頭破巖過程中產(chǎn)生的振動(dòng)波作為震源，開始研究鉆具振動(dòng)的井下測量技術(shù)，并研制了相應(yīng)的隨鉆記錄儀器，隨著振動(dòng)檢測和信息處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場對鉆頭破巖振動(dòng)現(xiàn)象的研究不斷深入，使其在油氣田的隨鉆地震勘探［1］、隨鉆地質(zhì)錄井［2］、儲(chǔ)層裂縫檢測［3］、鄰井鉆頭趨近防碰監(jiān)測［4，5］等方面得到了應(yīng)用。

國內(nèi)郭學(xué)增、高巖對鉆井取心巖樣進(jìn)行壓入硬度及模擬剪切實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同巖石具有固有聲發(fā)射頻率，大部分在5 kHz以上，且與破巖方式關(guān)系不大，巖樣成分越復(fù)雜，頻率譜成分越豐富，巖樣越硬，頻率越高。通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際頻譜資料分析得出鉆頭破巖振動(dòng)信號(hào)在0～200 Hz頻段為鉆頭信息頻段，5 kHz以上頻段為地層信息頻段，和巖石本身的物理特性有關(guān)，但該段高頻信號(hào)能量相對于低頻段機(jī)械波信號(hào)比較弱，且在傳播過程中衰減比較嚴(yán)重，對其采集、識(shí)別對相關(guān)設(shè)備和信號(hào)處理手段提出了較高要求，200 Hz～5 kHz頻段是鉆機(jī)和諸多井場裝備激發(fā)的音頻振蕩區(qū)［6］，到目前為止，對這一頻段沒有做深入探討。本文主要研究鉆頭破巖過程中，不同巖性的巖石產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在這一低頻段的特征。

1 實(shí)驗(yàn)過程

選取不同巖性的巖樣(花崗巖、砂巖、灰?guī)r)進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)狀況如圖1所示。使用微鉆頭在不同的鉆壓下破碎巖石，在巖石表面不同的位置(距鉆頭20、40、60 cm)布設(shè)加速度傳感器形成測點(diǎn)，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。信號(hào)采集系統(tǒng)由北京波譜加速度振動(dòng)傳感器和六道數(shù)據(jù)采集儀組成，采樣率設(shè)定為4000 Hz。實(shí)驗(yàn)所用鉆頭和實(shí)驗(yàn)后巖樣如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

自然狀態(tài)下采集系統(tǒng)時(shí)程曲線如圖3所示，從圖3中可以看出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在微型鉆機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，各采集通道工作狀態(tài)良好，信號(hào)幅值大小代表了自然噪聲情況，各通道變化很小，在±0.004范圍內(nèi)，說明采集系統(tǒng)各監(jiān)測傳感器具有很好的一致性。

圖1 鉆頭微鉆實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)采集

圖2 實(shí)驗(yàn)用鉆頭和實(shí)驗(yàn)后的巖樣(灰?guī)r)

圖3 鉆機(jī)未啟動(dòng)的時(shí)程曲線(從上到下曲線分別對應(yīng)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)傳感器)

試驗(yàn)時(shí)先使系統(tǒng)空載(鉆頭不破碎巖石樣品，不施加鉆壓，以額定鉆速55 r/min運(yùn)行)，采集加速度時(shí)程曲線數(shù)據(jù)和其頻譜曲線如圖4所示，此信號(hào)是鉆機(jī)系統(tǒng)由于本身正常工作引起的機(jī)械振動(dòng)。

由圖4中可見，鉆機(jī)系統(tǒng)空載時(shí)，時(shí)程曲線幅值較鉆機(jī)未啟動(dòng)時(shí)信號(hào)幅值大，振動(dòng)頻率主要分為800～1200、1600～2000 Hz兩個(gè)頻率段，在處理數(shù)據(jù)時(shí)需要提前進(jìn)行濾波處理，以消除對信號(hào)識(shí)別時(shí)的干擾。

分別將花崗巖、砂巖、石灰?guī)r巖樣進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)以額定轉(zhuǎn)速，施加不同鉆壓(20、40、60、80 N)破碎巖石，采集系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的破巖信號(hào)如圖5所示(砂巖，傳感器距鉆頭60 cm)。對采集的原始信號(hào)進(jìn)行800～2000 Hz濾波，實(shí)驗(yàn)采集的時(shí)程曲線信號(hào)經(jīng)濾波后頻譜結(jié)果如圖6所示(鉆壓40 N)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

從圖5中可以看出，隨著鉆壓的增大(20～80 N)鉆頭破碎同種巖性的巖樣(砂巖)產(chǎn)生的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)幅值不斷增大，說明鉆壓影響破巖振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度的大小，鉆壓越大，信號(hào)強(qiáng)度越大。

圖4 鉆機(jī)系統(tǒng)空載時(shí)的時(shí)程曲線和頻譜曲線

從圖6中可以看出，鉆頭破碎不同巖性的巖樣產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在低頻段主頻是不同的，花崗巖屬于巖漿巖(火成巖)，巖性致密，硬度高，在鉆頭破碎過程中低頻段信號(hào)呈現(xiàn)多峰狀頻譜，毛刺較多，其主頻在300 Hz左右，砂巖與灰?guī)r同屬于沉積巖，較花崗巖巖性相對疏松，強(qiáng)度較低，在鉆頭破碎過程中低頻段信號(hào)頻譜光滑，其主頻砂巖在400 Hz左右，灰?guī)r在450 Hz左右，經(jīng)過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出巖石巖性越致密，巖石強(qiáng)度越大，破巖時(shí)產(chǎn)生的低頻信號(hào)主頻越低。從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，同一巖性不同鉆壓下，鉆頭破巖低頻特征信號(hào)變化不大，不隨鉆壓鉆速的改變而改變，鉆頭破巖低頻特征與巖石本身的屬性即巖石的巖性、強(qiáng)度特征有關(guān)，鉆壓的大小只改變信號(hào)的強(qiáng)度，而不影響信號(hào)的頻率特征。

3 結(jié)論

通過對不同巖性的巖樣進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn)，將采集到的鉆頭破巖振動(dòng)信號(hào)經(jīng)行時(shí)域、頻域分析，得到了以下結(jié)論。

(1)鉆壓影響破巖振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度的大小，鉆壓越大，信號(hào)強(qiáng)度越大。

(2)破碎不同巖性的巖石，在低頻段具有不同的頻率特征，巖石巖性越致密，巖石強(qiáng)度越大，破巖時(shí)產(chǎn)生的低頻信號(hào)主頻越低。本次試驗(yàn)中，砂巖的特征中心頻率在400 Hz，灰?guī)r在450 Hz，花崗巖300 Hz左右。

(3)同一巖性不同鉆壓下，鉆頭破巖低頻特征信號(hào)變化不大，破巖信號(hào)的低頻特征與巖石本身固有屬性相關(guān)，不受鉆壓影響。

圖5 砂巖不同鉆壓微鉆實(shí)驗(yàn)破巖信號(hào)時(shí)程曲線

圖6 不同巖性的巖樣微鉆實(shí)驗(yàn)破巖信號(hào)的時(shí)程曲線和特征頻譜

表1 不同巖樣不同鉆壓破巖信號(hào)的低頻特征統(tǒng)計(jì) /Hz

［1］ Jo Eidsvik，Ketil Hokstad．Positioning drill-bit and look-ahead events using seismic traveltime data［J］．GEOPHYSICS，2006，71(4):79－90．

［2］ 劉志國，郭學(xué)增．頻譜技術(shù)與地層信息［J］．科技資訊，2007，27(2):21－22．

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［4］ T．O．Stagg，R．H．Reiley．Watchdog:An Anti-Collision Wellhead Monitoring System［R］．SPE，22123．

［5］ 何保生，劉剛，等．基于鉆頭運(yùn)動(dòng)誘發(fā)套管頭振動(dòng)信號(hào)檢測的井眼防碰監(jiān)測方法［J］．中國工程科學(xué)，2011，13(5):74 －78．

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