一種監測鉆柱扭轉振動的方法與流程

本發明涉及油氣田開發技術領域，尤其涉及一種監測鉆柱扭轉振動的方法。

背景技術：

鉆井工程是石油天然氣勘探開發的重要手段，而鉆柱是井下工作的重要工具，是井底鉆頭與地面鉆井設備的主要紐帶。鉆柱在鉆井的過程中，由于石油鉆井的工作環境非常復雜，鉆柱與井壁、鉆井液和底層及鉆頭之間相互作用產生摩擦引起鉆柱的振動，這被認為是一些問題的主要來源，例如過度磨損，過早的刀具故障以及較差的鉆孔速率等一系列問題，大大降低作業效率，增加其成本。

在鉆井過程中，鉆柱的主要運動是向下旋轉運動，并伴隨著橫向振動、縱向振動和扭轉振動等多種振動。橫向振動是由于地層原因或者井眼軌跡原因導致鉆頭吃入不足，從而造成鉆柱不沿著井眼中心旋轉，產生巨大的離心力，使鉆柱與周邊巖壁產生碰撞，嚴重影響了鉆井效率。軸向振動是由于井底鉆頭軸向跳動而與地面脫離接觸而產生的。而扭轉振動是由于鉆頭在鉆進瞬間的轉矩能量不夠滿足破巖轉矩時，鉆頭將處于停鉆狀態，井底鉆具慣量在頂驅的作用下繼續旋轉，當井底鉆具慣量扭轉積累的能量足以破碎巖層時，積累的能量瞬間釋放，此時鉆頭將于數倍頂驅的轉速旋轉，這對井下鉆具組合產生了巨大的破壞作用，而當下對于扭轉振動的監測技術還不是很成熟。

技術實現要素：

本發明的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種監測鉆柱扭轉振動的方法。

一種監測鉆柱扭轉振動的方法，包括以下步驟：

步驟1：基于鉆具組合參數、鉆柱力學性質參數計算得到鉆柱的扭轉柔量、鉆柱的特性阻抗；

步驟2：根據所述鉆柱的特性阻抗以及井底鉆具慣量建立關于粘滑頻率的相關函數，計算得到鉆柱的理論粘滑頻率；

步驟3：根據所述鉆柱的扭轉柔量、鉆柱的特性阻抗及理論粘滑頻率，結合帶通的濾波轉矩計算出鉆頭的動態角速度；

步驟4：根據所述的鉆頭的動態角速度經過低通濾波，然后再進行相應計算，得到鉆柱的扭轉振動強度指數。

進一步地，如上所述的方法，步驟1中，所述鉆柱的扭轉柔量為：

上式中，c為總的鉆柱扭轉柔量，lj為第j節的鉆柱長度，ip,j為第j節的鉆柱橫截面極矩，g為鉆柱的剪切彈性模量；

所述鉆柱的特性阻抗為：

上式中，ip為鉆柱的橫截面極矩，ρ為鉆柱密度，g為鉆柱的剪切彈性模量。

進一步地，如上所述的方法，步驟2中，所述鉆柱的理論粘滑頻率為：

上式中，jb為井底鉆具慣量，l為鉆桿長度，c為鉆柱的扭轉波傳播速度。

進一步地，如上所述的方法，步驟3中，所述鉆頭的動態角速度為：

上式中，tbp為帶通濾波轉矩，l為鉆桿長度，rd為頂驅的反射系數，k為鉆柱的波數；

上式中，ω為鉆柱角頻率。

進一步地，如上所述的方法，步驟(4)中，所述鉆柱的扭轉振動強度指數

上式中，lp()為低通濾波，ωset為設定的電機驅動角速度。

有益效果：

本發明提供的鉆柱扭轉振動監測方法，是根據鉆桿相關參數、鉆頭動態角速度、粘滑頻率等相關性質參數，計算出粘滑振動強度指數，最終通過粘滑振動強度指數能夠實時準確判斷井下扭轉振動情況，從而提高了鉆井效率。本發明通過計算粘滑振動強度指數能夠量化鉆頭速度變化并估計即時鉆頭速度而不使用井下測量。而且本發明方法較為簡單而準確地能夠為井下振動情況進行量化評價。

附圖說明

圖1為本發明監測鉆柱扭轉振動的方法流程示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖1為本發明監測鉆柱扭轉振動的方法流程示意圖，如圖1所示，該方法包括步驟：

s101：基于鉆具組合參數、鉆柱力學性質參數計算得到鉆柱的扭轉柔量、鉆柱的特性阻抗；

s102：根據所述鉆柱的特性阻抗以及井底鉆具慣量建立關于粘滑頻率的相關函數，計算得到鉆柱的理論粘滑頻率；

s103：根據所述鉆柱的扭轉柔量、鉆柱的特性阻抗及理論粘滑頻率，結合帶通的濾波轉矩計算出鉆頭的動態角速度；

s104：根據所述的鉆頭的動態角速度經過低通濾波，然后再進行相應計算，得到鉆柱的扭轉振動強度指數。

在步驟s101中，所述鉆柱的扭轉柔量為：

在公式(1)中，c為總的鉆柱扭轉柔量，lj為第j節的鉆柱長度，ip,j為第j節的鉆柱橫截面極矩，g為鉆柱的剪切彈性模量；

所述鉆柱的特性阻抗為：

在公式(2)中，ip為鉆柱的橫截面極矩，ρ為鉆柱密度，g為鉆柱的剪切彈性模量。

本發明實施例中，鉆柱的扭轉柔量考慮了鉆柱的剪切彈性模量、鉆柱橫截面極矩以及鉆柱長度。鉆柱的特性阻抗考慮了鉆柱橫截面極矩、鉆柱密度及鉆柱的剪切彈性模量等參數，通過這些參數可以提高最終計算得到鉆柱扭轉振動強度指數的準確度。

在步驟s102中，所述鉆柱的理論粘滑頻率為：

在公式(3)中，jb為井底鉆具慣量，l為鉆桿長度，c為鉆柱的扭轉波傳播速度，ω為鉆柱的粘滑角頻率。其中鉆柱的波傳播速度：

鉆柱速度振幅為：

適用于plc實現的時域形式的鉆頭動態角速度為：

公式(6)為公式(5)在plc應用中的時域形式，在公式(5)(6)中，tbp為帶通濾波轉矩，rd為頂驅的反射系數，c為鉆桿扭轉柔度，k為鉆柱的波數，l為鉆桿長度，i為復數的虛部,ts為鉆柱頂部振幅的復合轉矩，ω為鉆柱角頻率；

由于粘滑運動由基本粘滑頻率支配，所以可以僅基于該基本粘滑頻率實現相當好的估計。公式(6)是公式(5)在plc應用中的時域形式，其采用時間微分的積分近似法，省略了通常比第一項小得多的第二項，它是基于一個單一的部分鉆柱，模擬已經表明，它也提供了對多部分鉆柱的良好的估計。

所述粘滑扭轉振動強度指數為：

在公式(8)中，lp()為低通濾波，ωset為設定的電機驅動角速度。

本發明實施例中，計算出了實時鉆頭角速度，再通過與設定鉆速的函數關系，最終計算得出鉆柱扭轉振動的強度指數。

本發明各上述實施例中，相同的符號表示為相同的物理意義。

本發明實施例提供了一種可實時監測井下鉆具產生扭轉振動強度的方法，通過對井下鉆具扭轉振動強度的量化判別，提高了鉆井過程中的鉆井效率，并且對鉆具的保護起到很大作用。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。