韓加庚汪海閣林玥翔崔猛.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；.中國石油技術(shù)開發(fā)公司

基于地表數(shù)據(jù)的井下振動(dòng)識(shí)別與控制

韓加庚1，2汪海閣1林玥翔3崔猛1
1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.中國石油技術(shù)開發(fā)公司

鉆柱振動(dòng)識(shí)別與控制對(duì)于減少鉆井過程中事故復(fù)雜、防止鉆頭提前失效具有重要意義。全球每年與鉆柱振動(dòng)相關(guān)的失效和破壞的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3億美元。若能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭破巖狀態(tài)，有效識(shí)別并控制鉆柱有害振動(dòng)，則能大大降低這種損失。調(diào)研了國內(nèi)外對(duì)鉆井振動(dòng)問題的研究和應(yīng)用情況，討論了鉆具振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理及其地表數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系。在基于比能優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ)上，建立了一套根據(jù)地表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)識(shí)別并控制井下振動(dòng)的方法?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，振動(dòng)識(shí)別與控制技術(shù)能夠準(zhǔn)確判斷井下振動(dòng)，通過不斷優(yōu)化鉆井參數(shù)可以消除井下瓶頸因素，挖掘提速潛力，有望為鉆井提速和降低成本探尋一條新途徑。

鉆柱振動(dòng)；地表數(shù)據(jù)；比能；識(shí)別；控制；優(yōu)化

隨著勘探開發(fā)逐步向深層、低滲透、海洋深水、非常規(guī)領(lǐng)域發(fā)展，尤其是隨著深井超深井、定向井、水平井、大位移井的增多，鉆井過程中的振動(dòng)問題已經(jīng)成為鉆頭、鉆柱等工具先期失效的主要因素。據(jù)斯倫貝謝公司統(tǒng)計(jì)，75%的非生產(chǎn)時(shí)間是由井下振動(dòng)造成的。因此，如何準(zhǔn)確判別鉆井過程中大量存在的振動(dòng)問題，減輕其危害，并主動(dòng)地利用振動(dòng)達(dá)到提速降本的目的是目前亟待解決的問題。

鉆具振動(dòng)包括鉆具固有的振動(dòng)、鉆頭破碎巖石過程中與地層相互作用所激發(fā)的振動(dòng)、鉆柱碰撞井筒引起的振動(dòng)等，這些振動(dòng)一定程度上反映了井下的工況信息，并通過地面鉆井參數(shù)反映出來。通過綜合分析地面數(shù)據(jù)（主要是綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)）能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別井下振動(dòng)狀態(tài)，判斷井下工況，并進(jìn)行鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等鉆井參數(shù)優(yōu)化，有利于優(yōu)化鉆井參數(shù)和鉆柱結(jié)構(gòu)，預(yù)防鉆柱破壞和鉆頭的崩齒、跳鉆等，防止卡鉆及鉆頭事故的發(fā)生，從而提高鉆井速度、降低鉆井成本。

1 鉆柱振動(dòng)機(jī)理及其監(jiān)測(cè)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀Current progresses in researches on generation mechanisms， supervision and control techniques of drill string vibration

20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鉆柱振動(dòng)問題進(jìn)行了深入研究，國內(nèi)研究起步于20世紀(jì)80年代中后期，較有代表性的有：蘇義腦院士及其研究團(tuán)隊(duì)［1-2］對(duì)鉆柱力學(xué)及控制理論和技術(shù)進(jìn)行了深入研究，建立了鉆柱、鉆柱內(nèi)液柱和環(huán)空液柱的系統(tǒng)縱向振動(dòng)方程，嘗試?yán)谜駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行鉆井過程控制。高德利院士及其研究團(tuán)隊(duì)［3-6］對(duì)鉆柱振動(dòng)的研究主要包括鉆柱損傷及穩(wěn)定性研究，并對(duì)鉆柱橫向振動(dòng)現(xiàn)象（包括渦動(dòng)現(xiàn)象）進(jìn)行了深入研究。李子豐［7-10］從油氣井桿管柱動(dòng)力學(xué)基本方程出發(fā)，建立了垂直井鉆柱縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其耦合振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

國外對(duì)鉆柱系統(tǒng)的振動(dòng)研究較有代表性的有：20世紀(jì)60年代，I. Finnie和J. J. Bailey等人［11］對(duì)直井中鉆柱的縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)開展了研究。80年代，Millheim K. K.和Apostal M. C.［12］建立了鉆柱運(yùn)動(dòng)經(jīng)典方程，系統(tǒng)地對(duì)鉆柱振動(dòng)問題進(jìn)行了研究，并分析了底部鉆具組合動(dòng)態(tài)特性對(duì)鉆進(jìn)軌跡的影響。2012年，?？松梨诠镜腄eniz Ertas等人在軟桿模型基礎(chǔ)上，考慮了井壁摩擦、底部鉆具組合阻尼效應(yīng)、鉆機(jī)對(duì)鉆柱振動(dòng)影響后，建立了黏滑、跳轉(zhuǎn)模型，通過采集地面數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆井優(yōu)化，平均提速35%。之后斯倫貝謝公司開發(fā)ROPO鉆井優(yōu)化軟件系統(tǒng)進(jìn)行批量化鉆井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)鉆井自動(dòng)化管理，并內(nèi)置了黏滑、渦動(dòng)識(shí)別模塊保障鉆井安全同時(shí)提高機(jī)械鉆速。2011年12月，在墨西哥Chicontepec油田成功應(yīng)用，機(jī)械鉆速提高4%～112%。隸屬于哈里伯頓公司的蘭德馬克公司發(fā)布的Decision Space?InSite?實(shí)時(shí)鉆井提效系統(tǒng)考慮了鉆頭在不同地層不同巖石強(qiáng)度情況下的破巖效率，根據(jù)實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)給出推薦鉆井參數(shù)。在巖石強(qiáng)度超過100 MPa的碳酸鹽、火成巖地層中應(yīng)用，提速效果顯著。

目前，國內(nèi)成熟的實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆井監(jiān)測(cè)和決策系統(tǒng)較少，還沒有與鉆機(jī)結(jié)合形成自動(dòng)化鉆井技術(shù)。雖然國外已經(jīng)在部分鉆機(jī)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化鉆井，但利用地面數(shù)據(jù)進(jìn)行井下工況識(shí)別并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化以減少振動(dòng)也不多見。

2 鉆柱振動(dòng)機(jī)理及鉆井參數(shù)響應(yīng)研究Researches on mechanisms of drill string vibration andCorresponding drilling parameters

近年來，深井、超深井、水平井和大位移井等高難度井的數(shù)量逐年增加，由于鉆柱振動(dòng)引發(fā)鉆柱、井底鉆具和儀器損壞以及鉆頭早期失效導(dǎo)致的井下事故比常規(guī)井要高得多，因此鉆柱振動(dòng)成為當(dāng)前鉆井界關(guān)注的重要課題之一。由于鉆遇地層的不均質(zhì)性、鉆頭與地層不匹配引起的鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)的不均勻性以及作用在鉆頭上載荷的不定常性，必然會(huì)導(dǎo)致鉆井過程中鉆柱的動(dòng)載和振動(dòng)。鉆柱與井壁碰撞、鉆頭破碎巖石的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為鉆具的應(yīng)力波，以振動(dòng)波的形式通過鉆具振動(dòng)傳導(dǎo)至地面。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以控制將引起劇烈的振動(dòng)和動(dòng)載，會(huì)造成鉆頭的早期磨損、崩齒，井底鉆具組合、井下測(cè)量儀器和鉆柱的破壞和損壞。就目前對(duì)鉆具振動(dòng)的研究成果，鉆具振動(dòng)主要分扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng)等，對(duì)應(yīng)的工況分別為黏滑、跳鉆和渦動(dòng)，見圖1。

圖1　常見鉆柱振動(dòng)示意圖Fig.1 Commonly observed drill string vibration

2.1黏滑

Stick-slip

黏滑振動(dòng)是一種常見的振動(dòng)，分為鉆頭上的黏滑和鉆柱上的黏滑。2種振動(dòng)誘發(fā)原因不同。水平井鉆柱黏滑更常見，其振幅和破壞性更大。表現(xiàn)形式是地表扭矩出現(xiàn)低頻率（0.1～0.5 Hz）大幅度波動(dòng)。

2.2跳鉆

Stick-slip

鉆頭跳動(dòng)是由于鉆柱的軸向振動(dòng)引起，表現(xiàn)形式為鉆頭與地層瞬間脫離接觸，在鉆臺(tái)上可觀察到大鉤負(fù)荷出現(xiàn)高振幅高頻率的振動(dòng)，同時(shí)扭矩劇烈震蕩。

2.3渦動(dòng)

Bit jumping

鉆柱與鉆頭受到井壁、鉆柱結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致鉆頭吃入不足，鉆頭一端成脫離狀態(tài)，不沿中心軸的振動(dòng)。其表現(xiàn)形式為機(jī)械鉆速隨轉(zhuǎn)速增加而降低，懸重與扭矩較平穩(wěn)或高頻低振幅波動(dòng)。

進(jìn)一步了解鉆柱振動(dòng)對(duì)鉆井過程的影響，需要建立更直觀方式來探究鉆頭破巖狀態(tài)與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系。圖2為一個(gè)經(jīng)典的鉆頭破巖曲線，直觀地表現(xiàn)出了機(jī)械鉆速與鉆頭輸出能量的關(guān)系。

圖2　鉆頭輸出能量與機(jī)械鉆速對(duì)比Fig.2Correlation between output energy of bit and ROP

破巖曲線分為3個(gè)區(qū)域。區(qū)域一，鉆壓低于門限鉆壓，過低的鉆頭輸出能量（在這里鉆壓為主要因素）嚴(yán)重阻礙鉆頭切削齒吃入地層。圖3表示切削深度與鉆頭破巖效率之間的關(guān)系。當(dāng)鉆壓過低時(shí)破巖效率大幅降低。隨著輸出能量升高，切削深度增加，鉆頭最終進(jìn)入高效破巖區(qū)（圖2的區(qū)域二）。如果鉆頭始終穩(wěn)定破巖，則鉆頭破巖效率始終達(dá)到最高，機(jī)械鉆速與輸出的能量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。在這個(gè)區(qū)域中，輸出能量的提高將會(huì)帶來機(jī)械鉆速成比例提高。實(shí)際鉆井中，當(dāng)鉆頭工作在這個(gè)區(qū)域時(shí)，應(yīng)提高鉆壓或轉(zhuǎn)速（即提高能量）來提高機(jī)械鉆速。

隨著鉆頭的磨損，以及當(dāng)鉆頭輸出的能量受到限制，無法直接用于破巖時(shí)，鉆頭破巖的不穩(wěn)定點(diǎn)出現(xiàn)，曲線進(jìn)入?yún)^(qū)域三。不穩(wěn)定點(diǎn)往往出現(xiàn)在當(dāng)前鉆進(jìn)系統(tǒng)所能達(dá)到的最高機(jī)械鉆速附近。造成不穩(wěn)定點(diǎn)出現(xiàn)的最主要的因素是鉆柱振動(dòng)，鉆柱振動(dòng)使鉆頭輸出能量不能直接用于破巖，甚至造成鉆具損壞。所以，為進(jìn)一步提高鉆速，需要重新設(shè)計(jì)鉆井參數(shù)，破除限制破巖的因素，將能效曲線從區(qū)域三返回到區(qū)域二，進(jìn)一步延長區(qū)域二的曲線。

圖3　鉆頭切削深度與破巖效率對(duì)比Fig.3 Comparison of bit cutting depth and rock-breaking efficiency

圖4表示鉆頭輸出能量、機(jī)械鉆速與井下振動(dòng)關(guān)系曲線，從圖4可知，鉆柱振動(dòng)往往導(dǎo)致鉆頭破巖不穩(wěn)定點(diǎn)出現(xiàn)，嚴(yán)重降低鉆頭破巖效率。所以識(shí)別井下瓶頸因素，診斷井下復(fù)雜至關(guān)重要。同時(shí)，不同類型的振動(dòng)有其獨(dú)特的表現(xiàn)形式，所對(duì)應(yīng)的機(jī)械鉆速、鉆頭輸出能量的曲線也有明顯的特征。需要從這些特點(diǎn)入手，判斷井下振動(dòng)，進(jìn)行鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4　鉆頭輸出能量、機(jī)械鉆速與井下振動(dòng)的關(guān)系Fig.4Correlation among output energy of bit， ROP and downhole vibration

2.4振動(dòng)預(yù)防控制措施

Vibration prevention and control

為減少黏滑、跳鉆、渦動(dòng)，根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鉆井現(xiàn)場(chǎng)情況，基于鉆井比能優(yōu)化模擬結(jié)果，針對(duì)性制定了以下控制這些振動(dòng)的措施（見圖5）。

3 基于地表數(shù)據(jù)的井下振動(dòng)識(shí)別技術(shù)Identification of downhole vibration by using surface data

2010 年，?？松梨谕瞥鰧?shí)時(shí)鉆井咨詢系統(tǒng)（Drilling Advisory System，DAS）。系統(tǒng)工作原理以機(jī)械比能理論為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化算法實(shí)時(shí)為司鉆提供建議參數(shù)，提高破巖效率。2011年，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于俄羅斯Odoptu油田世界上最長的大位移井：完鉆井深12 345 m，水平位移11 475 m，4個(gè)井段僅用4只鉆頭，鉆井周期47 d。實(shí)時(shí)鉆井咨詢系統(tǒng)的成功應(yīng)用說明基于比能的鉆井閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)提速潛力巨大，是優(yōu)化鉆井技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

圖5　調(diào)整鉆井參數(shù)，緩解跳鉆、渦動(dòng)、黏滑振動(dòng)流程Fig.5 Procedures to mitigate bit jumping， vortex and stick-slip vibration by adjusting drilling parameters

3.1鉆井閉環(huán)優(yōu)化基本原理

Basic principles for close-loop optimization of drilling operations

鉆井閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)主要利用新興智能鉆井技術(shù)，分析實(shí)時(shí)信息，進(jìn)一步完善傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)，最大限度挖掘提速潛力。該系統(tǒng)包含3個(gè)部分，井間優(yōu)化、應(yīng)用工程優(yōu)化、實(shí)時(shí)優(yōu)化，即在傳統(tǒng)的優(yōu)化鉆井方法上增加研發(fā)單項(xiàng)有針對(duì)性的新技術(shù)，同時(shí)利用實(shí)時(shí)反饋信息不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，在鉆前、鉆中和鉆后都進(jìn)行優(yōu)化形成三級(jí)“閉環(huán)”優(yōu)化流程，見圖6。

而基于鉆柱振動(dòng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆井技術(shù)已經(jīng)成為鉆井閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)的重要組成部分——小閉環(huán)：鉆井過程中，收集井下和地面反饋信息，通過軟件分析進(jìn)行實(shí)時(shí)決策與再設(shè)計(jì)，最終重新應(yīng)用設(shè)計(jì)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的閉環(huán)循環(huán)。

圖6　鉆井三級(jí)閉環(huán)優(yōu)化流程Fig.6 Procedures for three-stage close-loop optimization of drilling operations

3.2機(jī)械比能理論

Mechanical energy density theory

Teale于1965年提出機(jī)械比能的概念，將輸入功整合為一個(gè)參數(shù)Es。經(jīng)過50多年的發(fā)展，機(jī)械比能理論日趨完善。根據(jù)能量平衡原則，將鉆頭輸出功整合為一個(gè)綜合指數(shù)（MSE，是鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速等參數(shù)的函數(shù)），利用理想情況下MSE與巖石真實(shí)強(qiáng)度指數(shù)（TSE，理想情況下等同于巖石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度）相等的原理，逐步縮小MSE與TSE的差值，為實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆井（水力）參數(shù)、識(shí)別瓶頸因素和評(píng)價(jià)鉆井效果提供量化依據(jù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Field applications

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院研發(fā)的“智能鉆井節(jié)能提速導(dǎo)航儀” 進(jìn)行鉆具振動(dòng)的判別與優(yōu)化。該系統(tǒng)考慮到地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆井液性能參數(shù)、鉆具組合及鉆機(jī)性能參數(shù)等對(duì)破巖效率的影響，實(shí)時(shí)推薦最佳鉆進(jìn)參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多種信息判斷井下工況與振動(dòng)類型，包括地層巖性特征分析、鉆頭能耗對(duì)鉆井參數(shù)響應(yīng)特征、鉆頭與地層匹配性等。最終建立一整套閉環(huán)優(yōu)化提速流程，實(shí)時(shí)推薦鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量，緩解鉆具振動(dòng)，提高機(jī)械鉆速的同時(shí)保護(hù)鉆具，提高鉆頭進(jìn)尺。以下為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用常見振動(dòng)的判斷、控制案例。

4.1鉆頭泥包

Bit balling

鉆頭泥包損失的鉆壓越多，鉆頭切削深度越低，機(jī)械鉆速降低越顯著。PDC鉆頭發(fā)生泥包時(shí)，一方面，切削齒不能直接接觸地層，影響破巖效率，導(dǎo)致機(jī)械鉆速下降；另一方面，鉆井液不能有效冷卻切削齒，導(dǎo)致切削齒壽命下降。鉆頭泥包常常發(fā)生在泥巖、頁巖地層，在比能（MSE）分析應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)很多軟石灰?guī)r地層也會(huì)產(chǎn)生鉆頭泥包。

在玉門油田某井采用?215.9 mm PDC鉆頭配合螺桿鉆具，復(fù)合鉆進(jìn)至2 590 m柳溝莊組后，鉆遇棕紅色泥巖地層，發(fā)生嚴(yán)重鉆頭泥包。這種情況在上部井段并沒有發(fā)生，且該井作為預(yù)探井，鄰井可借鑒經(jīng)驗(yàn)少，不能及時(shí)應(yīng)對(duì)，嚴(yán)重的鉆頭泥包導(dǎo)致井底渦動(dòng)。圖7顯示了該井2 595 m進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化前后鉆井參數(shù)曲線與比能曲線變化情況。

圖7　玉門某井實(shí)時(shí)優(yōu)化曲線Fig.7 Curves of real-time optimization for a well in Yumen Oilfield

該段地層以棕紅色泥巖為主，地層強(qiáng)度較低（壓縮強(qiáng)度40 MPa左右）。鉆壓70 kN，鉆頭轉(zhuǎn)速183 r/ min。此時(shí)提速導(dǎo)航儀監(jiān)控到泥巖含量升高，地層強(qiáng)度小幅升高。機(jī)械鉆速顯著降低，扭矩曲線呈現(xiàn)高頻波動(dòng)，但振幅較小，比能從不足1 000 MPa升高至2 000 MPa且劇烈波動(dòng)。因上部井段（白楊河組）以粉砂巖為主，地層突然變化后，沒有正確判斷井下工況變化，在井底巖屑清潔不足時(shí)反而將排量從30 L/s降至28 L/s。井下泥包加重導(dǎo)致渦動(dòng)加劇，鉆壓傳遞受阻，鉆頭無法吃入地層。比能升高至3 000 MPa，機(jī)械鉆速從10 m/h降至2 m/h，能量浪費(fèi)嚴(yán)重而且損傷井下鉆具。鉆至2 595 m，開始進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)判斷鉆頭泥包，提高排量至31 L/s，鉆壓從70 kN提高至90 kN。比能從3 000 MPa逐漸降至1500 MPa，機(jī)械鉆速明顯回升，說明泥包緩解，鉆頭渦動(dòng)有效遏制，鉆頭切削齒吃入地層，鉆壓有效傳遞至井底巖層，破巖效率提高。

在這個(gè)案例中，若不能有效利用比能曲線與鉆井參數(shù)的相應(yīng)關(guān)系分析，單靠機(jī)械鉆速、鉆時(shí)和扭矩判斷井下工況，很容易誤判為井下黏滑振動(dòng)。而相應(yīng)的降低鉆壓，提高轉(zhuǎn)速的參數(shù)調(diào)整不僅無法提高機(jī)械鉆速，反而使鉆頭更加無法吃入地層，在井眼中形成偏轉(zhuǎn)，加劇鉆具與井壁碰撞，損傷鉆具，降低機(jī)械鉆速。

圖8為該井優(yōu)化井段與非優(yōu)化井段在相同鉆頭、相同地層、相同鉆具組合、相同鉆井液情況下機(jī)械鉆速和能耗對(duì)比。可以看出，非優(yōu)化井段處于低速高能耗區(qū)域；優(yōu)化井段處于高速低能耗區(qū)域，平均能耗同比非優(yōu)化井段降低47%，機(jī)械鉆速達(dá)到3.41 m/ h，提高38.4%。

圖8　玉門某井在相同鉆頭、相同地層條件下優(yōu)化井段與非優(yōu)化井段鉆速、比能對(duì)比Fig.8 Velocities and energy densities in intervals with and without optimization under identical bit and formation conditions in a well in Yumen Oilfield

在應(yīng)用基于比能的實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)時(shí)，要通過觀察比能曲線的變化趨勢(shì)而非比能具體值的大小。實(shí)時(shí)應(yīng)用中需要不斷調(diào)整鉆井參數(shù)，保持比能處于最小值，使鉆頭處于機(jī)械鉆速與破巖能效的最佳匹配狀態(tài)。在泥頁巖地層中一旦出現(xiàn)鉆頭泥包，增大鉆井液排量可有效遏制大多數(shù)鉆頭泥包，也可選用水眼更小的鉆頭達(dá)到同樣的效果。

4.2橫向振動(dòng)（渦動(dòng)）

Lateral vibration （vortex）

鉆頭渦動(dòng)主要指鉆頭偏離中心位置轉(zhuǎn)動(dòng)，往往表現(xiàn)為沿著井壁公轉(zhuǎn)。即使最小級(jí)別的渦動(dòng)對(duì)機(jī)械鉆速的影響也非常顯著。

圖9為四川某井產(chǎn)生渦動(dòng)時(shí)比能及鉆井參數(shù)曲線。該井正鉆地層為茅口組茅二段，巖性以大段深褐色灰?guī)r為主，含硅質(zhì)。地層強(qiáng)度高達(dá)700 MPa，PDC可鉆性極值8，可鉆性差。4 506～4 521 m為非優(yōu)化井段，由井隊(duì)根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)，提速導(dǎo)航儀進(jìn)行監(jiān)控。井隊(duì)采用低鉆壓，高轉(zhuǎn)速高排量（高螺桿轉(zhuǎn)速）鉆進(jìn)，鉆時(shí)高鉆速低，扭矩較低且比較平穩(wěn)，地層強(qiáng)度沒有顯著變化，但比能卻從3 000 MPa升至5 000 MPa，且劇烈波動(dòng)。判斷是鉆遇硬地層，鉆壓不足轉(zhuǎn)速過高，鉆頭無法有效吃入地層形成破巖，導(dǎo)致鉆頭偏離中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生嚴(yán)重的渦動(dòng)。

5 421 m開始實(shí)時(shí)優(yōu)化，將鉆壓從100 kN提高至110 kN，并將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速從55 r/min經(jīng)多次調(diào)整降低至45 r/min，將排量從25 L/s降至23 L/s，最終使鉆頭總轉(zhuǎn)速從163 r/min降至150 r/min。比能曲線逐漸降低至2 000 MPa，機(jī)械鉆速從1.14 m/h提高至1.35 m/h，同比提速19.2%。說明提高鉆壓降低轉(zhuǎn)速使鉆頭切削齒重新吃入地層，提高了破巖效率。若鉆頭破巖效率沒有提高，比能曲線也不會(huì)隨之降低。實(shí)驗(yàn)中通過增加10%的鉆壓收到了19.2%的提速效果，充分證明了提高鉆壓對(duì)緩解渦動(dòng)的作用。

圖9　四川某井實(shí)時(shí)優(yōu)化曲線Fig.9 Curves of real-time optimization for a well in Sichuan Basin

在非優(yōu)化井段，過低的鉆速（1.04 m/h）與平穩(wěn)的鉆井參數(shù)誤導(dǎo)了井隊(duì)，不但沒有發(fā)現(xiàn)井下嚴(yán)重的渦動(dòng)，反而認(rèn)為是鉆頭磨損導(dǎo)致的高鉆時(shí)，準(zhǔn)備提前起鉆。實(shí)驗(yàn)人員對(duì)井下振動(dòng)的準(zhǔn)確判斷與有效控制避免了井隊(duì)提前起鉆。

圖10為實(shí)驗(yàn)當(dāng)天非優(yōu)化井段與優(yōu)化井段鉆進(jìn)時(shí)間與井深對(duì)比。藍(lán)色線表示非優(yōu)化井段（4 508～4 521 m），平均鉆速1.14 m/h；紅色線表示優(yōu)化井段（4 522～4 532 m），平均鉆速同比提高19.2%，達(dá)到1.35 m/h。從圖中曲線及延長線可以看出，通過綜合分析比能及鉆井參數(shù)曲線相應(yīng)關(guān)系，能準(zhǔn)確識(shí)別鉆頭渦動(dòng)并在安全范圍內(nèi)調(diào)整鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了用相同的鉆進(jìn)時(shí)間，達(dá)到更深的進(jìn)尺的提速目標(biāo)。

圖10　四川某井非優(yōu)化井段與優(yōu)化井段鉆進(jìn)時(shí)間與井深擬合對(duì)比Fig.10 Matching and comparison of drilling time and well depths in intervals with and without optimization in a well in Sichuan Basin

圖11為該井優(yōu)化井段與非優(yōu)化井段在相同鉆頭、相同地層、相同鉆具組合、相同鉆井液參數(shù)的情況下機(jī)械鉆速和能耗對(duì)比。非優(yōu)化井段處于低速高能耗區(qū)域，平均能耗高達(dá)4 688 MPa，平均鉆速只有1.04 m/h；優(yōu)化井段處于高速低能耗區(qū)域，破巖能效同比提高22.9%，機(jī)械鉆速提高26.9%，達(dá)到1.32 m/ h，提速效果顯著。

圖11　四川某井在相同鉆頭和地層等條件下優(yōu)化井段與非優(yōu)化井段對(duì)比Fig.11 Conditions of intervals with and without optimization under identical bit and formation conditions in a well in Sichuan Basin

4.3扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（黏滑）

Torsional vibration（stick-slip）

黏滑振動(dòng)幾乎出現(xiàn)在所有定向井段。當(dāng)施加在鉆柱底部的扭矩達(dá)到激發(fā)鉆柱共振的臨界值時(shí)，會(huì)發(fā)生黏滑振動(dòng)。所以最主要減輕黏滑的方式就是通過降低鉆壓來降低鉆頭處扭矩，直到扭矩低于黏滑臨界值。此外，提高轉(zhuǎn)速可以通過維持鉆柱角動(dòng)量來減弱黏滑。

如圖12，大港某大位移井的造斜段，?215.9 mm井眼井深3 268 m，井斜角超過45°，PDC+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)。地層強(qiáng)度穩(wěn)定在70 MPa。復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)鉆壓80 kN，扭矩及比能變化劇烈，平均比能高達(dá)800 MPa。劇烈波動(dòng)的扭矩說明井下鉆具振動(dòng)強(qiáng)烈，能量浪費(fèi)嚴(yán)重同時(shí)可能損傷井下鉆具。將鉆壓從80 kN降至40 kN，可以看到比能降至400 MPa并保持平穩(wěn)，機(jī)械鉆速從30 m/h提高至45 m/h。

圖12　大港某大位移井實(shí)時(shí)優(yōu)化曲線Fig.12 Curves of real-time optimization for an extended-reach well in Dagang Oilfield

需要注意的是，原先的機(jī)械鉆速已經(jīng)可以接受，在沒有優(yōu)化技術(shù)幫助時(shí)，司鉆不可能通過降低鉆壓來繼續(xù)提高鉆速。在傳統(tǒng)非智能鉆井觀念中，降低鉆壓意味著鉆速的降低。而鉆壓降低50%換來鉆速提高50%同時(shí)保護(hù)了井下鉆具的結(jié)果，充分證明井下工況判斷正確和鉆井參數(shù)調(diào)整合理。在其他現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)條件，也可先提高轉(zhuǎn)速來減弱黏滑，效果不明顯時(shí)再降低鉆壓。

5 結(jié)論與建議Conclusions & Suggestions

鉆頭的破巖效果依賴于鉆頭的選擇和使用。實(shí)時(shí)分析鉆頭破巖工況有助于現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量等參數(shù)，確保鉆頭處于最佳破巖狀態(tài)。當(dāng)鉆頭因各種因素達(dá)不到最佳破巖狀態(tài)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可以通過實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)重新優(yōu)化參數(shù)。另外，如能在監(jiān)測(cè)鉆頭破巖能耗的同時(shí)利用井下振動(dòng)短節(jié)監(jiān)測(cè)鉆具振動(dòng)數(shù)據(jù)，則更能準(zhǔn)確把握造成鉆頭破巖不穩(wěn)定的原因。

油氣井鉆井需要面對(duì)埋深達(dá)數(shù)千米的油氣藏，且地質(zhì)情況極為復(fù)雜。隨著深井超深井、特殊工藝井的增多，井下的工況越來越復(fù)雜，由此導(dǎo)致鉆柱振動(dòng)和鉆頭振動(dòng)問題的動(dòng)態(tài)過程和邊界條件的不確定性，增加了研究和應(yīng)用的難度。正如2010年7月國際鉆井承包商協(xié)會(huì)（IADC）在減輕黏滑振動(dòng)研討會(huì)上所指出的：“利用實(shí)時(shí)井下數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)控制是控制黏滑技術(shù)的前沿，它將帶來跨躍性的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆柱各種模式振動(dòng)的全面控制”。隨著比能優(yōu)化鉆井技術(shù)、振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)、隨鉆技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)鉆具振動(dòng)的識(shí)別與控制一定會(huì)在鉆井提速、減少事故復(fù)雜中發(fā)揮越來越重要的作用。

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（修改稿收到日期 2016-02-21）

〔編輯 薛改珍〕

Identification and control of downhole vibration based on surface data

HAN Jiageng1，2， WANG Haige1， LIN Yuexiang3， CUI Meng1
1. CNPC Drilling Research Institute， Beijing 102206， China；2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development， Beijing 100083， China；3. China Petroleum Technology & Development Corporation， Beijing 100009， China

Identification and control of vibrations of drill strings are of great importance to eliminate drilling accidents and protect drilling bits from premature failure. Globally， economic losses related to failure and damages induced by drill string vibration are up to $300 million every year. Such losses can be reduced significantly as long as rock-breading conditions can be monitored in real time and hazardous vibration of drill strings can be identified and controlled effectively. In this paper， existing researches and applications related to drilling vibration both at home and abroad were reviewed， and mechanisms for generation of such drill-tool vibrations and their relationship with surface data were discussed. Based in energy density optimization， a package of techniques for identification and control of downhole vibration on the baisis of surface data were developed. Field application results show that the vibration identification and control techniques can accurately detect downhole vibration. Through continuous optimization of drilling parameters， the techniques can help to eliminate downhole bottleneck factors so as to fully explore the potential of improving drilling speed. These techniques may provide new alternatives to enhance drilling speeds and to minimize relevant costs.

drill string vibration； surface data； energy density； identification； control； optimization

HAN Jiageng， WANG Haige， LIN Yuexiang， CUI Meng. Identification and control of downhole vibration based on surface data［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）：144-150.

TE21

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0144-07

10.13639/j.odpt.2016.02.003

中石油工程技術(shù)與裝備重大專項(xiàng)“重大工程關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究與應(yīng)用—高效破巖工具研制”項(xiàng)目（編號(hào)：2013E-38-04）。

韓加庚（1989-），2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）， 主要從事鉆井提速優(yōu)化研究。通訊地址：（102206）北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙屯橋西中國石油創(chuàng)新基地A34地塊。

汪海閣（1967-），從事鉆井技術(shù)研究、技術(shù)支持和規(guī)劃編制工作，教授級(jí)高工。通訊地址：（102206）北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙屯橋西中國石油創(chuàng)新基地A34地塊。電話：010-80162236。E-mail：wanghaigedri@cnpc.com.cn

引用格式：韓加庚，汪海閣，林玥翔，崔猛. 基于地表數(shù)據(jù)的井下振動(dòng)識(shí)別與控制［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：144-150.