許長生

摘 要：鉆具振動信號是一種極其復(fù)雜多樣的振動波，能實時體現(xiàn)井下的工況信息。文章作者首先對鉆具振動的現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，緊接著介紹鉆具振動的產(chǎn)生機理，并針對具體的鉆具振動信號分析方法進(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；振動信號；機理

鉆具振動信號具有實時體現(xiàn)井下工況的作用，它涵蓋了結(jié)構(gòu)與機械的內(nèi)在特征與運作情況。所以說，實時檢測并分析鉆具振動信號，能夠識別出鉆具的工作狀態(tài)及其可能出現(xiàn)的機械故障問題。作者在下文中將重點闡述鉆具振動及其產(chǎn)生機理，并提出并分析三種鉆具振動信號分析方法。

1 鉆具振動的現(xiàn)狀

目前，鉆具振動雖已取得了一定的發(fā)展，且深受人們關(guān)注，但我國國內(nèi)對于鉆具振動信號的研究尚處在初始階段，依舊有不少問題存在。

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

（2）井下振動的測量點同鉆頭之間存在一定距離，這無疑會削弱振動信號，產(chǎn)生信噪比。為此，我們要對井下的振動進(jìn)行實時的檢測，并深入研究鉆頭振動測量的準(zhǔn)確度與數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

2 鉆具振動的產(chǎn)生機理闡述

2.1 鉆具橫向振動的成因及特點

偏轉(zhuǎn)是橫向振動的一大反應(yīng)。實際上，鉆具之所以會出現(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)動時，若BHA鉆具或者鉆頭的任意一處與井眼的中心線轉(zhuǎn)動相互偏離，那么鉆具或者鉆頭就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。一旦開始偏轉(zhuǎn)，就會形成較大的離心力，讓接觸點部位形成摩擦力，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)的軌跡會出現(xiàn)一定的變動，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，其瞬時旋轉(zhuǎn)中心也在不斷地變動，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，減少鉆頭的使用時間。此外，鉆具的偏轉(zhuǎn)會造成鉆速下降與井徑擴(kuò)大。

2.2 鉆具縱向振動的成因及特點

在開展鉆井作業(yè)的過程中，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受到的不穩(wěn)定縱向反作用力，均會對鉆具施壓，進(jìn)而使鉆具出現(xiàn)縱向振動。鉆頭接觸井底的垂直振動是平和的縱向振動的主要反應(yīng)形式，其振動頻率與振動幅度均較小。然而，一旦激勵源的頻率和鉆柱的某一階的固有頻率差不多時，鉆具就會形成共振，造成鉆頭剎那間與井底脫離，鉆頭在井底彈跳。共振的形成會加劇原先的縱向振動，此時巨大的沖擊荷載無疑會加快鉆具的疲勞速度，終致井下渦輪鉆具、鉆頭等井下工具實現(xiàn)就被破壞掉。其主要體現(xiàn)在大鉤負(fù)荷的振動高負(fù)荷上，而扭矩與鉆速也會出現(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)研磨巖性均會加劇縱向振動。

2.3 鉆具扭轉(zhuǎn)振動的成因及特點

在鉆入時，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，鉆頭鉆碎巖石的時候會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。鉆具粘滑是扭轉(zhuǎn)鉆洞的一種體現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動時，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對井壁進(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在剎那間以高速旋轉(zhuǎn)的形式將能量釋放出來。若粘滑嚴(yán)重，會導(dǎo)致卡點以上周遭的鉆具超扭矩，導(dǎo)致鉆具長期變形，不斷的粘滑也許會造成鉆具的疲勞損壞。

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

3 鉆具振動信號分析方法

3.1 鉆具振動信號的特征值

鉆具振動信號的基本特性一般以統(tǒng)計函數(shù)進(jìn)行描述的，這里說的統(tǒng)計函數(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)分別是從頻域與時域的角度針對鉆具振動信號的相互依賴程度進(jìn)行描述；自功率譜密度函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)則分別從頻域與時域的角度，針對在不同時刻相關(guān)鉆具振動信號的依賴性進(jìn)行描述；均方值則主要針對鉆具振動強度或者振動能量進(jìn)行描述。

3.2 小波變換的分析方法

鉆具在鉆入過程中會有很多非平穩(wěn)信號存在，且其運行狀態(tài)的變幅較大。在運行時，鉆具時常出現(xiàn)鉆具故障或者不穩(wěn)定振動，最終使得動態(tài)信號的平穩(wěn)性受到很大的影響。可以說，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。一般來說，鉆具在開鉆、停鉆過程中的負(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域分析能力，再加上有著可變的時頻分辨率，可以很精準(zhǔn)地分析非平穩(wěn)信號。

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

3.3 頻譜分析方法

鉆具振動的隨機信號主要有非周期振動與周期振動兩種，其中，非周期振動又叫沖擊振動。由于我們很難在時間域內(nèi)清晰地辨別出其振動特點，一般都采用以下方法，即：把信號由時間域帶到特性更易識別的某個域，再實施特征提取識別，進(jìn)而對振動信號進(jìn)行分類，即頻譜分析。針對鉆具振動信號實施頻譜分析，既能及時了解井下的工作情況，又能及時判斷出鉆頭所鉆入地層的變化。

頻譜，顧名思義，是在頻率域振動信號隨著頻率的分布特性，它主要包括相位譜、能量譜等，鉆具振動信號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）得出振動信號中所有頻率成分的幅值，從而得到顯著頻率成分及其對應(yīng)的幅值；（2）得出振動信號中所有頻率的分布范區(qū)域與頻率成份。

4 結(jié)束語

通過對鉆具振動信號的理論及產(chǎn)生機理的研究，得出以下幾個結(jié)論：

（1）實時檢測并研究鉆具振動信號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)盤轉(zhuǎn)速與鉆壓，改變鉆具的不穩(wěn)定振動的情況，從而延長鉆具的使用時間。

（3）我國在鉆具振動的測量與運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。

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