隨鉆振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測在鉆井過程中的應用

吳斌，吳豐，李建龍，梁宇濤，馬蘭英

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井分公司，天津 300457；2.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083；3.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽 457061）

隨鉆振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測在鉆井過程中的應用

吳斌1，吳豐1，李建龍2，梁宇濤2，馬蘭英3

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井分公司，天津 300457；2.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083；3.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽 457061）

在鉆井過程中，受振動和沖擊的影響，井下鉆具尤其是鉆頭和底部鉆具組合極易損壞，因此可通過監(jiān)測隨鉆振動和沖擊參數(shù)實現(xiàn)對井底鉆具狀態(tài)的監(jiān)測。通過在隨鉆測量儀器上增加三軸應力傳感器和扭矩傳感器，可以監(jiān)測井底鉆具的軸向沖擊、徑向振動和扭矩變化，并利用隨鉆測量儀器的脈沖信號將這些信息及時反饋到地面，以便調(diào)整鉆進參數(shù)。文中介紹了隨鉆振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測的原理和工作模式，總結(jié)了海外與西方公司合作的2口井的施工實踐?，F(xiàn)場實際應用表明，這項技術(shù)可用于判斷井下復雜情況，并根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對鉆進參數(shù)進行及時調(diào)整，有效地防止鉆具疲勞破損及鉆具落井事故的發(fā)生。

隨鉆監(jiān)測；振動；沖擊；定向井

在鉆井過程中，井下鉆具組合受交變應力的影響會發(fā)生疲勞破損，特別是鉆頭和底部鉆具組合部分受振動和沖擊的影響極易損壞。因此，利用隨鉆振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測來實現(xiàn)對井底鉆具狀態(tài)的監(jiān)測，成為一項勢在必行的技術(shù)。

利用MWD傳輸信道，將井下采集的軸向沖擊、徑向振動和旋轉(zhuǎn)方向扭矩波動的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)處理儀，通過計算機軟件將這些數(shù)據(jù)實時地展示在司鉆顯示器上，為調(diào)整鉆進參數(shù)提供參考［1］。本文著重介紹這些參數(shù)所反映的井下情況，以及振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測在現(xiàn)場的應用情況。

1 監(jiān)測原理

在鉆井過程中，井下鉆具組合承受著鉆具重力（壓力）、絞車拉力、鉆頭水力推力、鉆井液浮力、井壁摩擦力、鉆柱正旋扭矩和鉆頭破碎地層的反扭矩等復合應力的綜合影響［2］（見圖1）。井下鉆具組合的受力情況在地表監(jiān)測儀器上反映為鉆壓、扭矩、工具面、泵壓等參數(shù)的變化。然而隨著井深的增加，井下鉆具組合的受力狀態(tài)就不能明顯、及時地通過地表監(jiān)測儀器進行監(jiān)測。

圖1 簡化的井下鉆具受力分析

因此，通過在普通MWD探管上加裝三軸應力傳感器和扭矩傳感器，就可以有效地反映這些復合應力的綜合作用（見圖2）。其中，Z軸參數(shù)反映鉆柱的軸向沖擊，XY軸參數(shù)反映鉆柱的徑向振動，SS參數(shù)反映鉆柱的扭矩波動。這些參數(shù)與隨鉆數(shù)據(jù)都在司鉆顯示器上顯示出來［3-4］（見圖3）。每個參數(shù)都有不同的報警級別，并通過可視化的顏色來給以警示。

圖2 振動和沖擊傳感器監(jiān)測模型

圖3 司鉆顯示器界面

2 工作模式

2.1 鉆柱的軸向沖擊

Z軸方向的沖擊主要體現(xiàn)為鉆頭蹩跳。通常在使用牙輪鉆頭施加過大的鉆壓或者使用PDC鉆頭鉆硬地層時，鉆頭蹩跳比較嚴重。另外，Z軸參數(shù)的變化也能體現(xiàn)出地層軟硬程度的變化。鉆頭蹩跳會破壞齒輪的密封，損傷鉆頭牙齒，進而降低鉆頭壽命［5］；鉆具頻繁振動，也會導致MWD精密電子部件損壞。通過優(yōu)化鉆具組合和下入減振接頭，可以減弱這部分影響。隨鉆過程中，軸向沖擊的各級報警意義及應對措施如下：

1）綠色為安全級別。此級別鉆進過程中會不可避免地產(chǎn)生鉆具振動。

2）黃色為戒備級別。到達此級別時，需要參考其他2個參數(shù)，并通過調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速來控制［6］。

3）紅色為警告級別。到達此級別時，需觀察3～5 min，并采取以下方法解決。a）增加1～2 t鉆壓，并降低5～10 r/min轉(zhuǎn)速，觀察是否返回安全級別；b）在允許的鉆壓和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)重復步驟a），直到返回安全級別；c）上提鉆具，停止轉(zhuǎn)動后重新開啟，轉(zhuǎn)速降為之前的一半，然后逐漸增大鉆壓到之前的打鉆鉆壓，待鉆壓穩(wěn)定后，將轉(zhuǎn)速恢復到正常打鉆狀態(tài)繼續(xù)鉆進。

2.2 鉆柱的徑向振動

XY軸方向的振動主要體現(xiàn)為鉆柱偏心轉(zhuǎn)動。它會造成扭矩增加、鉆具損傷、鉆頭破壞、扶正器偏磨、井眼擴大等［7］。通過提高排量、降低摩阻、降低轉(zhuǎn)速和增大鉆壓等措施，可以消減這部分影響。隨鉆過程中，徑向振動的各級報警意義及應對措施如下：

1）綠色為安全級別。此級別鉆進過程中會不可避免地產(chǎn)生鉆具振動。

2）黃色為戒備級別。到達此級別時，需要參考其他2個參數(shù)，并通過調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速來控制。

3）紅色為警告級別。到達此級別時，采取以下方法解決。a）降低5～10 r/min轉(zhuǎn)速，3～5 min后觀察是否返回安全級別；b）上提鉆具，停止轉(zhuǎn)動后重新開啟，轉(zhuǎn)速降低10 r/min，恢復鉆進，然后逐漸增大鉆壓到之前的打鉆鉆壓，繼續(xù)觀察并調(diào)整參數(shù)。

2.3 鉆柱的扭矩波動

鉆柱的扭矩波動反映了正常鉆進過程中鉆柱在反扭矩作用下產(chǎn)生的制動現(xiàn)象，主要受鉆頭破巖能力的影響［8］。鉆柱在交變扭矩的作用下容易產(chǎn)生疲勞，對PDC鉆頭的牙齒損壞也是比較嚴重的。鉆井設計時，通過下入抗扭矩接頭、滾子扶正器等工具可以減弱這部分影響。隨鉆過程中，扭矩波動的各級報警意義及應對措施如下：

1）綠色為安全級別。此級別鉆進過程中會不可避免地產(chǎn)生鉆具振動。

2）黃色為戒備級別。到達此級別時，需要參考其他2個參數(shù)，并通過調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速來控制。

3）紅色為警告級別。到達此級別時，采取以下方法解決。a）提高5～10 r/min轉(zhuǎn)速，保持或降低1 t鉆壓，觀察3～5 min是否返回安全級別；b）在鉆井設備允許的條件下，繼續(xù)降鉆壓并提轉(zhuǎn)速，直到恢復安全級別；否則，考慮短起下通井。

4）紫色為嚴重警告級別。到達此級別時，采取以下方法解決。a）提高5～10 r/min轉(zhuǎn)速，降低1～2 t鉆壓，觀察3～5 min是否返回安全級別；b）在鉆井設備允許的條件下，繼續(xù)降鉆壓并提轉(zhuǎn)速，直到恢復安全級別。短起下通井后，采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓繼續(xù)鉆井。

正常鉆進過程中，地層軟硬交替造成的鉆壓失穩(wěn)，通常反映為鉆具蹩跳或制動現(xiàn)象。這些信息被井底傳感器及時采集并反饋到地面，供司鉆和工程師調(diào)整鉆進參數(shù)。當發(fā)生井下復雜情況時，這幾個參數(shù)都會有相應的變化，只是程度有所不同。長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)報警，則預示著井下事故或復雜情況的發(fā)生?？紤]各種因素的變化，結(jié)合鉆壓、扭矩、泵壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化進行綜合判斷，將有效地預防和解決井下復雜情況［8-9］。

3 現(xiàn)場應用

11平臺已完鉆的2口井，均在φ311.15 mm井眼中鉆至Umm Er-Radhuma地層底部時發(fā)生了鉆頭損傷。地層對比情況如表1所示。

表1 11平臺2口井φ311.15 mm井眼地層對比

1號井在φ311.15 mm井眼中使用的鉆頭型號為QD506FX。當鉆至1 725 m后，機械鉆速逐漸減慢。對比鄰井資料，雖然該段也有機械鉆速變慢的現(xiàn)象，但從振動和沖擊參數(shù)記錄上也表現(xiàn)出了明顯警示。直到鉆至1 775 m（垂深1 597.88 m）時，由于機械鉆速過慢，已降低到2 m/h，井隊決定起鉆檢查，發(fā)現(xiàn)鉆頭牙齒磨損嚴重，主力切屑齒幾乎全部崩碎。更換新鉆頭恢復鉆進后，機械鉆速明顯提高，且振動和沖擊報警級別降低。

2號井在 φ311.15 mm井眼中使用 BEST鉆頭TS1952SS型號。鉆至1 700 m后，機械鉆速減慢。鉆至1 715 m后，泵壓下降約1 MPa。循環(huán)觀察0.5 h后，泵壓趨于穩(wěn)定，接監(jiān)督指令維持16～20 kN鉆壓繼續(xù)鉆進。鉆至1 741 m（垂深1 650.66 m）時，泵壓下降，機械鉆速明顯減慢，降低至2 m/h。井隊隨即決定起鉆檢查，發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損嚴重，端部磨平，鉆具刺漏。對比分析振動和沖擊記錄可以看出：在鉆進1 715～1 735 m井段時，明顯報警級別較高；而鉆進1 735 m以后井段時報警級別降低，判斷是由于鉆頭端面磨平后導致反扭矩減小造成的。

4 結(jié)束語

帶有隨鉆振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測功能的MWD，能夠反映井下鉆具組合的受力情況，通過適當?shù)卦鰷p鉆壓、增減轉(zhuǎn)速、調(diào)整排量等措施及時調(diào)整鉆進參數(shù)［10］，從而避免鉆頭頻繁蹩跳和扭矩波動（瞬時制動現(xiàn)象），實現(xiàn)對井下鉆具組合的保護。另外，當發(fā)生井壁坍塌和鉆頭泥包等情況時，可以參考振動和沖擊參數(shù)的變化及時進行判斷。因此，這項技術(shù)在節(jié)約鉆井成本、縮短鉆井周期、優(yōu)化鉆井過程控制方面具有極大的優(yōu)勢。目前，振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測逐漸成為定向井隨鉆監(jiān)測不可或缺的重要參數(shù)。

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［8］鞏全成，吳亞鋒，李江紅.基于DSP的鉆井黏滑振動控制系統(tǒng)的研究［J］.測控技術(shù)，2014，33（9）：76-83.

［9］陳銳，李黔，尹虎，等.鉆井風險實時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)設計及應用［J］.斷塊油氣田，2013，20（1）：115-117.

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Application of vibration and shock parameter monitoring while drilling in drilling process

Wu Bin1,Wu Feng1,Li Jianlong2,Liang Yutao2,Ma Lanying3
(1.Directional Drilling Company,BHDC,CNPC,Tianjin 300457,China;2.College of Energy Resource,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3.Natural Gas Production and Marketing Plant,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC, Puyang 457061,China)

In the process of drilling,the down hole assembly,especially bit and bottom hole assembly,will be brought about fatigue failure duo to the effect of vibration and shock.Therefore,the monitoring on bottom hole assembly can be realized through vibration and shock parameter monitoring while drilling.Through the increase of triaxial stress sensor and torque sensor in MWD instruments, the axial vibration,radial swing and drill tool torque change of down hole drilling tools are detected,and using the pulse signal of MWD apparatus,these information are timely fed backed to the surface.This article introduces the principal and work mode of vibration and shock parameter monitoring while drilling,sums up the operation practices of two wells in cooperation with western companies and describes the technique in detail.Practical application shows that this technique can be used to judge the complication of down hole and to adjust the drilling parameters according to real-time monitoring data,effectively avoiding the fatigue failure and fishing.

monitoring while drilling;vibration;shock;directional well

TE927+.6

：A

10.6056/dkyqt201501025

2014-08-11；改回日期：2014-11-17。

吳斌，男，1982年生，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井工作。E-mail：bhdcwubin@hotmail.com。

吳斌，吳豐，李建龍，等.隨鉆振動和沖擊參數(shù)監(jiān)測在鉆井過程中的應用［J］.斷塊油氣田，2015，22（1）：113-115.
Wu Bin，Wu Feng，Li Jianlong，et al.Application of vibration and shock parameter monitoring while drilling in drilling process［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：113-115.