CN101936159B - 一种随钻识别岩性的方法 - Google Patents

Abstract

一种随钻识别岩性的方法。主要解决现有岩屑录井方法中存在的层位界限不明确、岩屑采集时间严重滞后的问题。其特征在于：在地面对不同岩石样本进行实钻，记录多组典型钻井参数组合下的振动信号，利用快速傅立叶变换获得不同钻井参数、岩性组合下的标准频谱，并保存于数据库内；在近钻头的钻铤内设置正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器以及陀螺仪；对由所述正交三轴加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪在钻头钻进时采集到的数据存储后与所述标准频谱进行频谱对比分析，提取出来振动类型、主频和倍频数据形成岩性代码、振动特征代码以及钻头健康代码，判定在钻地层岩性。可以实现随钻识别，具有识别效果好的特点。

Description

一种随钻识别岩性的方法

技术领域：

本发明涉及一种应用于石油、天然气钻井作业随钻测量领域中的方法，具体地说是涉及一种用于地质导向钻井系统中的随钻识别岩性的方法。

背景技术：

目前油气钻井过程中识别岩性的常用方法是岩屑录井方法，即采用人工定点采集砂样后，通过目测和镜下观察等物理化学方法鉴别岩性。但这种识别岩性的方法存在如下缺陷：由于砂样采集过程中不可避免的要受到钻井液密度、粘度、排量等因素的干扰，因此采集的深度无法准确计量，常常出现层位界限不清等问题；另外，由于，岩屑采集具有滞后性，对于5000m深的井，需要1～2小时岩屑才能到达井口。此外，还有一些随钻识别岩性的方法是通过测量地层属性间接判断岩性，例如电阻率、自然伽马、中子孔隙度/岩性密度等，但这些方法由于都是间接判断，因此，其所获得的结果都难以达到理想效果。

发明内容：

为了解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种新的随钻识别岩性的方法，该方法利用钻头钻进导致岩石破碎时的主频会随岩性变化的规律来识别不同的岩性，从而解决了现有技术中存在的层位界限不明确、岩屑采集时间严重滞后的问题，为识别岩性、优化钻井参数、避免钻井风险提供了可靠的保证。

本发明的技术方案是：该种随钻识别岩性的方法，其特征在于该方法由如下步骤构成：

首先在地面对不同岩石样本进行实钻，记录多组典型钻井参数组合下的振动信号，利用快速傅立叶变换获得不同钻井参数、岩性组合下的标准频谱，并保存于数据库内；

在近钻头的钻铤内设置正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器以及陀螺仪；其中，所述正交三轴加速度传感器中的x轴对应钻铤横截面的半径方向，y轴对应钻铤横截面的切向方向，z轴对应钻铤的轴线方向，x轴加速度计测量横向和径向加速度，y轴加速度计测量横向和切向加速度，z轴加速度计测量轴向加速度；所述两轴应变传感器由轴向应变片和切向应变片组成，分别用来测量动态钻压和扭矩；所述陀螺仪用来测量转角及转速；

对由所述正交三轴加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪采集到的数据存储后与所述标准频谱进行频谱对比分析，将振动类型、主频、倍频等数据提取出来形成岩性代码、振动特征代码以及钻头健康代码，判定在钻地层岩性。

本发明具有如下有益效果：本方法，利用井下装置测量钻头振动，即在近钻头钻具内设置正交三轴加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪实时监测钻头的振动频率和振幅，并借助转速、钻压、扭矩等实时测量结果辅助判断振动情况，并将分析结果通过随钻测量系统上传至地面与数据库中的岩石标准频谱对比从而识别岩石岩性的变化，以判断钻头是否处在储层中钻井，用于辅助地质导向钻井施工决策。此外，本方法的应用将优化钻井工程参数，改善工况，避免钻具、井下仪器的过早失效，以便及时采取处理措施，避免发生重大事故。总之，本方法的实施将为识别岩性、优化钻井参数，避免钻井风险提供可靠的技术手段。

附图说明：

图1是本发明中所涉及方法的流程图。

图2是实施本发明中所述方法时在导向钻井系统中的位置示意图。

图3是实施本发明中所述方法时在钻铤内设置正交三轴加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪等元件的结构示意图。

图4是图3的A-A向剖面图。

图5是图3的B-B向剖面图。

图6是是图3的C-C向剖面图。

图7是实施本发明中所述方法时在钻铤内设置的以采集正交三轴加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪等元件输出的数据的数据测量电路原理图。

图8是实施本发明中所述方法时在钻铤内设置的与图7相对应的数据存储电路原理图。

图中1-钻铤，2-钻头，3-其它钻具组合，4-钻杆，5-减震器，6-井壁，7-泥浆通道，8-井身，9-陀螺仪，10-两轴应变传感器，11-电池组，12-数字存储器，13-测量控制电路，14-钻铤上端，15-井底，16-导线，17-数据接口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先简单介绍一下本发明的构思基础：油气钻井中钻柱通常由以下几部分组成：钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻杆。当钻头在地下钻进时，其旋转破岩作用将使得钻头和靠近钻头部分的其他钻具产生强烈振动，其所形成的振动主要有三种形式，分别为：扭转振动、轴向振动和横向振动。扭转振动，又称粘滑，主要是由于钻头和井底的相互作用产生的，钻头在破岩过程中会遇到阻力暂停，造成扭矩的增加，当扭矩增大到一定程度重新开始破岩，这一过程的宏观体现就是扭转振动。横向振动主要是由于钻铤及其他井下钻具组合部件的质量分布不平衡造成的；轴向振动主要是钻头钻遇硬地层时井底形状不平造成的。可以说，以上三种振动一定携带了钻柱、钻头和所钻地层的信息，与井底岩石属性具有密切的联系。此外，已经有大量实验证明，不同岩石破碎时，其产生的振动主频明显不同：例如，花岗岩破碎主频约为15KHz，泥岩破碎主频为5KHz。正是因为存在着这种岩石破碎时主频会随岩性变化的规律，因此，本发明提出了一种可以用于随钻识别岩性的新方法，即通过在近钻头的钻具处设置正交三轴加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪，通过实时测量振动特征参数，结合实时钻井参数测量辅助进行振动特征分析，进而判断出在钻地层的岩性。

实施本发明时，首先，需要在地面上先对不同岩石样本进行实钻，记录多组典型钻井参数组合下的振动信号，利用快速傅立叶变换获得标准谱图，并保存于数据库内以获取不同钻井参数、岩性组合下的标准频谱。

其次，在近钻头的钻铤内设置正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器以及陀螺仪；其中，所述正交三轴加速度传感器中的x轴对应钻铤横截面的半径方向，y轴对应钻铤横截面的切线方向，z轴对应钻铤的轴线方向，x轴加速度计测量横向和径向加速度，y轴加速度计测量横向和切向加速度，z轴加速度计测量轴向加速度；所述两轴应变传感器由轴向应变片和切向应变片组成，分别用来测量动态钻压和扭矩；所述陀螺仪用来测量转角及转速。如图2所示，是实施本发明中所述方法时在导向钻井系统中的位置示意图。在该图中，将正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器、陀螺仪以及测量控制电路等统称为随钻振动岩性识别装置，该装置包括加速度计组件8、陀螺仪9、两轴应变传感器10、数字存储器12以及测量控制电路13，该装置安装于井下钻具组合上，位于钻头2的上部的钻铤1中。在钻铤1的钻铤上端14处连接减震器5，下部连接其他井下钻具组合3。随钻振动岩性识别装置测量钻头与井底15岩石相互作用产生的振动，泥浆通道7贯穿整个钻井系统。

安装完随钻振动岩性识别装置后的钻铤结构示意图如图3所示，由图中可见，承载随钻振动岩性识别装置的主体为钻铤1，该钻铤可以为普通钻铤或无磁钻铤。泥浆通道7穿过钻铤中心，在钻铤上端14处必须连接减震器，以减少上部钻具振动对测量结果的影响。

在正常钻进过程中，加速度计组件8内集成了正交布置的正交三轴加速度传感器，分别用来测量x、y、z方向加速度。其中，x轴对应装置横截面的半径方向，y轴对应装置的横截面的切向方向，z轴对应装置轴线方向。在正常钻进过程中，陀螺仪9用以测量装置转动情况，包括转角和转速，以辅助进行振动特征的识别。在正常钻进过程中，两轴应变传感器10由轴向应变片和切向应变片组成，分别用来测量随钻振动岩性识别装置承受到的轴向压力和扭矩，以辅助进行振动特征的识别。

图7和图8是测量控制电路13的电气原理图，分为数据测量电路原理图和数据存储电路原理图。测量电路通过采样加速度传感器、两轴正交应变传感器以及陀螺仪的输出信号，以得到钻头的振动、动态钻压、扭矩及转速，并将得到的数据进行存储。此外，地面SD存储卡用于在起钻时快速读取井下存储器数据，为上位机做数据处理时提高数据源。该测量电路基本原理如下：数字输出陀螺仪测得钻具的转速信号Signal1，通过SPI总线传将Signal1信号输到主控单片机SPI1模块，主控单片机发出的SLECT11信号控制采样数字陀螺仪的输出；两轴正交应变传感器测得钻压、扭矩信号经过滤波后差分输入到芯片U1，主控单片机通过数字给定对放大电路进行增益调节，对差分输入信号进行程控放大得到信号Signal2、Signal3，将其送入到主控单片机的模拟输入端口进行A/D转换得到相应的数字量；而正交三轴加速度传感器输出的三轴加速度值即经过信号调理、放大后并由主控单片机发出CONVERT信号启动A/D转换得到16Bit数字量Signal4，通过SPI总线将Signal4输到主控单片机SPI1模块；主控单片机发出的SLECT12信号选择SPI总线与井下存储系统的SPI1模块进行通信，将测量所得数据传输到存储系统，而井下存储系统通过自身的SPI2模块将接收到数据存储到各个存储单元中；当起钻时，地面SD存储卡与主控单片机SPI2模块通信，而主控单片机通过SPI1模块读取井下存储系统的数据后，再转由SPI2模块将数据发送给地面SD存储卡，为上位机进行数据处理提供数据源。

在正常钻进过程中，测量控制电路13将供电电压和控制信号通过导线孔内的导线16输出到加速度计组件8、陀螺仪9、两轴应变传感器10。加速度计组件8、陀螺仪9、两轴应变传感器10的输出结果通过导线孔内16的导线传送给测量控制电路13。测量控制电路13在接受到测量数据之后，先后经过放大电路和AD转换，将测量原始数据保存到数字存储器12上。

实施时，优选的方案是，如图3、4、5、6所示，加速度计组件8、陀螺仪9、两轴应变传感器10各有四组。四组传感器互为备份，测量结果分别保存到对应的四个数字存储器12a～d上，分别由测量控制电路13a～d控制。测量控制电路13a、13b、13c、13d之间通过导线孔18中的信号线连接，由其中一个测量控制电路13a进行总体控制。电池组11共4组，分别由13a～d进行管理。

测量完毕起钻后，通过与测量控制电路13a连接的数据接口17将数据导出。

在实施上述方案时要注意，两轴应变传感器10用来测量装置本体的变形情况。因此必须安装在装置本体轴线防线居中的位置，以免受到丝扣连接应处应变的影响。在装置连接到钻具上之后下井之前，需要通过数据接口17将两轴应变传感器10校零。

测量控制电路13能够对采集到的数据进行分析，将振动类型、主频、倍频等数据提取出来，与标准频谱对比后进行分析，将振动类型、主频、倍频等数据提取出来形成岩性代码、振动特征代码以及钻头健康代码，通过MWD系统上传。该电路与MWD短节的数据连接采用电磁波无线短传方法实现。

下面是本发明的一个具体实施例，对应图1所示的工作流程：

步骤1：钻头入井之前，对钻具进行必要设置。在钻头上方连接随钻岩性识别短节；在随钻岩性识别短节上方连接减震器短节，以消除上部钻柱串的振动影响；通过随钻岩性识别短节上的数据接口处将对仪器进行初始化，包括对采集时间长度、时间间隔、采样频率的设置，以及对两轴应变传感器测量结果置零。

步骤2：钻具下井，在钻头工作过程中，每隔一段时间采集一次数据，数据包括：随钻岩性识别短节上的加速度计组件采集近钻头钻具的轴向、切向、径向加速度数据，陀螺仪记录钻头转动数据，其中，采样时间间隔推荐值为1～20分钟，每次采样时长为10～30秒，测量结果保存于井下存储器中。

步骤3：测量控制电路对已采集的数据和进行处理，综合判定井下振动情况；经快速傅立叶分析得到钻头振动的时程频率谱。

步骤4：通过对频率谱和钻压、扭矩、转速的综合分析判断钻井工况是否正常，如果异常则将异常情况代码发送到MWD系统，进行第8步；

步骤5：通过将实测频率谱和存储器中保存的标准频谱数据库对比分析相关性，结合钻井参数参数分析在钻地层岩性；

步骤6：如果岩性分析结果明确，则将岩性结论代码发送到MWD系统；

步骤7：如果岩性分析结果不明确，则将井下存储器中的该段实测数据进行标记，待起钻后结合录井数据进行综合分析，并将分析结果补充到数据库。

步骤8：随钻岩性短节通过无线短传的方式将数据传送给随钻测量系统，随钻测量系统将分析结果岩性代码实时发送到地面。

下面是频谱对比的具体过程：

首先提取描述实测振动信号的频谱特征向量

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\λ}}_a}(f_1^{\left(a\right)},p_1^{\left(a\right)},f_2^{\left(a\right)},p_2^{\left(a\right)},\·\·\·,f_n^{\left(a\right)},p_n^{\left(a\right)}),$

其中，为频谱上能量峰值对应的频率，

为归一化后的各频率能量值。标准频谱库中的频谱也以特征向量的方式保存到井下数据处理器中。比如，某一岩性对应的频谱特征向量为

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\λ}}_b}(f_1^{\left(b\right)},p_1^{\left(b\right)},f_2^{\left(b\right)},p_2^{\left(b\right)},\·\·\·,f_n^{\left(b\right)},p_n^{\left(b\right)}),$

通过计算两个向量之间差向量的范数就可以计算得到两个频谱的相似程度。

上述方法中，所关注的钻头轴向振动频段的确定原则为：

假设钻头直径为D，牙轮直径为d，当钻头以f₁旋转时，起伏井底的存在，会导致钻柱轴向振动，其频率f_b在1倍至6倍f₁具有较高的能量，例如，对于三牙轮钻头其轴向振动以3f₁为主。此外，牙轮引起的振动频率包括以中心频率

f_s＝K(E，μ，d，w(t))f₁

为基频的各次谐波振动，其中E为弹性模量、μ为泊松比、d与钻头设计有关，w(t)为与钻头磨损状态有关的物理量，大量研究表明：

K(E，μ，d，w(t))＝G(E，μ，d)*w(t)

其中，G(E，μ，d)是与岩性相关的综合函数，钻头的早期失效等可以通过w(t)的体现出来，其对应着频谱特征的突然改变。

加速度组件可以测量径向加速度a_r、轴向加速度a_z、切向加速度a_t。通过对径向加速度a_r的分析可以获得转速

${\mathrm{\ω}}_1\left(t\right)=\sqrt{\frac{a_r\left(t\right)}{r}}$

但是横向振动也可能引起某个方向上的径向加速度变化，因此一方面需要通过对四组加速度计测量数值的综合判断，尽量消除不相关振动对测量结果的影响，另一方面要借助陀螺仪测量到的方位角θ结果计算转速

${\mathrm{\ω}}_2\left(t\right)=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

在理想条件下ω₁(t)与ω₂(t)是相同的，两者之间的差异可以用来对切向和径向加速度计的测量结果进行识别。经过处理将得到轴向、切向、径向振动的三组频谱。

在本实施例中，用于所述方法中的正交三轴传感器型号为：COLIBRYS MS9000.D MEMS Capactive Accelerometers；两轴正交应变传感器采用BCM公司的SN2-R-2.6-P-1半导体应变片；陀螺仪为CRS05 single-axis gyro型。

Claims (4)

1.一种随钻识别岩性的方法，由如下步骤构成：

首先在地面对不同岩石样本进行实钻，记录多组典型钻井参数组合下的振动信号，利用快速傅立叶变换获得不同钻井参数、岩性组合下的标准频谱，并保存于数据库内；

在近钻头的钻铤内设置正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器以及陀螺仪；其中，所述正交三轴加速度传感器中的x轴对应钻铤横截面的半径方向，y轴对应钻铤横截面的切向方向，z轴对应钻铤的轴线方向，x轴加速度计测量横向和径向加速度，y轴加速度计测量横向和切向加速度，z轴加速度计测量轴向加速度；所述两轴应变传感器由轴向应变片和切向应变片组成，分别用来测量动态钻压和扭矩；所述陀螺仪用来测量转角及转速；

对由所述正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器以及陀螺仪采集到的数据存储后与所述标准频谱进行频谱对比分析，提取出来振动类型、主频和倍频数据形成岩性代码、振动特征代码以及钻头健康代码，判定在钻地层岩性。

2.根据权利要求1所述的一种随钻识别岩性的方法，其特征在于：用于所述方法中的正交三轴加速度传感器、两轴应变传感器以及陀螺仪各有四组，所述四组器件互为备份，测量结果分别保存到对应的四个数字存储器上。

3.根据权利要求2所述的一种随钻识别岩性的方法，其特征在于：用于所述方法中的两轴应变传感器须安装在钻铤轴线防线居中的位置。

4.根据权利要求3所述的一种随钻识别岩性的方法，其特征在于：用于所述方法中的正交三轴加速度传感器型号为：COLIBRYSMS9000.D MEMS Capactive Accelerometers；两轴应变传感器采用BCM公司的SN2-R-2.6-P-1半导体应变片；陀螺仪为CRS05single-axis gyro型。

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