CN102852512A - 基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法，装置由传动短节、扶正器、稳定单元、信号单元及永磁体组成，所述监测装置安装于随钻测量钻具与钻头间，稳定单元包括伸缩块、硬质合金柱、挡块、弹簧和密封圈，信号单元包括电源、线缆、传感器、无线模块。所述监测方法为：钻进过程中由井口经钻柱传递的钻压与扭矩通过传动短节传至钻头，传动短节带动永磁体一起转动，扶正器通过伸缩块抵住井壁，传感器感应转过的永磁体的磁场并发射电脉冲信号，随钻测量钻具对电脉冲信号处理并传至井口。本发明可有效地对钻头的粘滑振动进行监测，为调整钻井参数进而抑制粘滑振动提供装置与方法，用于减少钻具失效，提高机械钻速，降低钻井成本。

Description

基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发中对井底钻头动态振动的监测装置与方法，尤其适用于装有随钻测量仪的钻进操作中，具体地讲是一种基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法。

背景技术

在深部地层的钻进中，随着井深的增加，井身结构及地层特性变复杂，岩层的研磨性增强可钻性变差，由此引发的钻头处的粘滑振动剧烈。钻头的粘滑振动是指钻头因破岩扭矩不足而停止转动，但是井口转盘在外力驱动下继续转动，使得钻柱扭曲并积蓄能量，待钻柱所积扭矩达到钻头破岩所需扭矩后卡住的钻头突然释放，释放后的钻头绕钻柱轴线顺时针或逆时针反复加速与减速。

粘滑振动致使钻柱及下部钻具疲劳加剧，钻头经过扭矩积聚到突然释放，钻头释放后与井壁形成巨大的冲击，常造成钻具提前失效、井下精密仪器损坏、机械钻速降低、钻井成本升高等问题的出现，同时还常造成钻井质量的降低，抑制粘滑振动等钻头的异常振动行为对钻井操作具有重要意义。

为有效地控制钻进中的粘滑振动，需要对钻头的粘滑振动进行监测，现有关于粘滑振动的监测主要包括以下两种方法：

1.通过井口转盘动态参数（如转速或扭矩）的波动对粘滑振动进行监测，例如在井口设定转盘扭矩反馈控制系统完成监测。然而，由于井底钻头距地面较远，钻头处的粘滑振动响应在经钻柱传至井口后会出现失真，特别是由于钻柱转动过程中存在的磨阻对转速与扭矩的传递影响极大。同时，粘滑振动信号由于长距离的传递还会存在一定的延滞。对深部地层的钻进操作而言，这种方法的监测精度低，适应性差；

2.在近钻头处的某一截面设置最少两个加速度计用于测量不同方向的切向加速度分量，合成计算扭转加速度从而评判井底钻头的粘滑振动。这种方法对传感器的安装要求较高且操作复杂，多个信号的同时传递增加了操作难度，同时井下剧烈的振动对需要精确定位的传感器的测量结果影响极大。

随钻测量技术结合机械元件与电子元件，对井下信号进行编码与解码，然后通过泥浆脉冲遥测技术等方法将井下信号传至地面，实现对钻进的实时测量。粘滑振动作为钻头的异常振动行为，可通过转速的波动进行判别，在井底设置转速监测装置，借助随钻测量钻具对信号进行处理与传递。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法，用以建立一种更有效的钻头粘滑振动监测方法，即使在下部钻具振动剧烈的情况下也能精确地测量粘滑振动信号，同时通过所述的装置实现所述的方法，并兼容随钻测量仪或旋转导向钻具等井下工具。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，由传动短节、扶正器、轴承、稳定单元、信号单元、永磁体组成，其特征在于：所述的监测装置安装于随钻测量钻具与钻头之间，上端直接与随钻测量钻具相连，下端与钻头直接连接；所述稳定单元包括伸缩块、硬质合金柱、挡块、弹簧、密封圈，伸缩块为柱状体，其底部设有用于防脱落的台肩，中心设有用于设置弹簧的弹簧孔，挡块通过螺纹固定于扶正器上，伸缩块与挡块间设有弹簧用于将伸缩块沿径向外推，伸缩块用于稳定井壁的一端镶嵌有硬质合金柱，为防止钻具起下钻过程中因伸缩块卡住井壁而引起卡钻等事故，弹簧刚度不宜太大，密封圈用于防止井眼环空中的泥浆进入稳定单元，密封圈可为O形密封圈；所述信号单元包括电源、线缆、传感器、无线模块，电源通过线缆与传感器连接，传感器通过线缆与无线模块连接。

所述传动短节上端设有公扣，下端设有母扣；所述扶正器通过轴承安装于传动短节外部，扶正器设有扶正器叶片，扶正器叶片沿扶正器周向均匀布置，每一个扶正器叶片均设有用于将扶正器稳定从而使其相对井壁不转动的稳定单元；所述信号单元固定于其中一个扶正器叶片内部，信号单元中的传感器与永磁体设于同一高度，永磁体安装于传动短节上，所述永磁体转至离传感器最近时二者间距离小于1厘米。

所述的监测装置也可安装于旋转导向钻具与钻头之间，装置上端连接旋转导向钻具，下端连接钻头。

所述传动短节设有钻井液流道；传动短节外部设有上下两个台肩，上台肩用于限定与所述的监测装置连接的上部钻具，下台肩用于限定轴承；传动短节外部设有用于固定永磁体的凹槽。

所述扶正器内部设有用于安置稳定单元和信号单元的凹槽，上下两端分别设有用于安装轴承的台肩，扶正器的上端面略低于所述传动短节的上台肩；所述扶正器叶片外径略小于钻头尺寸。

所述信号单元的数量为1个；永磁体的数量可为1个或者多个，永磁体固定于传动短节与传感器同样高度的位置，当永磁体的数量大于1个时，永磁体在传动短节周向均匀分布。

所述轴承为旋转密封轴承，可为带密封性能的深沟球轴承或带密封性能的滚针轴承或带密封性能的滚柱轴承；所述传感器具有额定的感应范围，当永磁体超出额定范围时传感器无法感应磁场，传感器可为霍尔传感器。

基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其特征在于：在随钻测量钻具与钻头间装有如上所述的监测装置；在钻进过程中，由井口经钻柱传递的钻压与扭矩通过传动短节传至钻头，传动短节带动永磁体一起转动；扶正器通过稳定单元抵住井壁使其相对井壁不转动，传感器与永磁体间具有相对转速；传动短节上的永磁体转至传感器处时，传感器感应永磁体产生的磁场并将信号传至无线模块；无线模块将对信号进行处理并将处理后的电脉冲信号发射至所述监测装置上端的随钻测量钻具，永磁体每转过传感器一次，无线模块便发出一个脉冲信号；随钻测量钻具对所接收的信号进行处理并将其传输至地面，钻井人员通过转速波动情况对粘滑振动进行判别。

所述传动短节上端连接能处理并传输无线模块发出的电脉冲信号的随钻测量钻具，下端连接钻头，传动短节随钻头一起转动，二者具有相同的转速。

所述扶正器相对井壁不转动或以极低的转速转动，扶正器的上下两端设有带密封性能的轴承用于保护信号单元和永磁体；所述传感器的数量为1个，可为霍尔传感器；所述永磁体的数量可为多个，永磁体的最佳数量为3个。

对钻头粘滑振动的监测包括对所测数据的处理分析，粘滑振动剧烈程度指标可通过以下任一公式进行判断：

η=N／N _ave ；

η=RPM／RPM _ave ；

其中，η为粘滑振动剧烈程度指标；N为所测时间段内的电脉冲数量；N _ave 为钻进中与所测时段相同时间内的电脉冲的平均数量；RPM为监测所得钻进中钻头的瞬时转速；RPM _ave 为钻进中钻头的平均转速。

钻进中钻头的瞬时转速可通过以下公式进行计算： 

RPM=60N／n△t

其中，RPM表示钻头每分钟转动的次数；△t表示指定的时间间隔，单位为秒；n表示永磁体的数量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）该监测方法基于1个传感器发射的电脉冲数量，无需测量多个分量，监测装置结构简单且直接装于钻头上方，测量精度高；（2）对钻头粘滑振动的监测通过转速的波动而实现，可以不考虑钻头转向而只通过转速波动便可进行粘滑振动判别；（3）监测装置基于现有钻进装置的近钻头扶正器而设计，所得信号借助钻进过程中本身具有的随钻测量仪或旋转导向装置进行接收与传递，对下部钻具结构影响较小，适用范围广。

附图说明

图1为装有本发明装置的典型钻井系统示意图；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为本发明装置A-A剖面示意图；

图4为本发明装置另一种实施结构的A-A剖面示意图；

图5为本发明装置当伸缩块处于伸出状态时的B-B剖面示意图；

图6为本发明装置当伸缩块处于压缩状态时的B-B剖面示意图；

图7为本发明装置的伸缩块主视结构图；

图8为本发明装置的伸缩块俯视结构图；

图9为本发明装置的挡块主视结构图；

图10为本发明装置的挡块俯视结构图；

图11为本发明装置信号单元的局部放大图；

图12为本发明装置上端所连随钻测量钻具信号处理与传输示意图；

图13为本发明方法的操作流程图；

图中：1.转盘，2.钻柱，3.井眼，4.随钻测量钻具，5.粘滑振动监测装置，6.钻头，7.传动短节，8.钻井液流道，9.公扣，10.母扣，11.扶正器，12.轴承，13.扶正器叶片，14.伸缩块，15.硬质合金柱，16.挡块，17.弹簧，18.密封圈，19.电源，20线缆，21.传感器，22.无线模块，23.永磁体，24.井架，25.泵入管线，26.泵出管线，27.信号接收模块，28.主控器，29.脉冲发生器，30.压力信号接收器。

具体实施方式

如图2～11所示，本发明基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，由传动短节7、扶正器11、轴承12、稳定单元、信号单元、永磁体23组成，其特征在于：所述的监测装置安装于随钻测量钻具4与钻头6之间，上端直接与随钻测量钻具4相连，下端与钻头6直接连接；所述稳定单元包括伸缩块14、硬质合金柱15、挡块16、弹簧17、密封圈18，伸缩块14为柱状体，其底部设有用于防脱落的台肩，中心设有用于设置弹簧17的弹簧孔，挡块16通过螺纹固定于扶正器11上，伸缩块14与挡块16间设有弹簧17用于将伸缩块14沿径向外推，伸缩块14与井壁作用的一端镶嵌有硬质合金柱15，为防止钻具起下钻过程中因伸缩块卡住井壁而引起卡钻等事故，弹簧17刚度不宜太大，密封圈18用于防止井眼环空中的泥浆进入稳定单元，密封圈18可为O形密封圈；所述信号单元包括电源19、线缆20、传感器21、无线模块22，电源19通过线缆20与传感器21连接，传感器21通过线缆20与无线模块22连接。

所述传动短节7上端设有公扣9，下端设有母扣10；所述扶正器11通过轴承12安装于传动短节7外部，扶正器11设有扶正器叶片13，扶正器叶片13沿扶正器11周向均匀布置，每一个扶正器叶片13均设有用于将扶正器11稳定从而使其相对井壁不转动的稳定单元；所述信号单元固定于其中一个扶正器叶片13内部，信号单元中的传感器21与永磁体23设于同一高度，永磁体23安装于传动短节7上，所述永磁体转至离传感器最近时二者间距离小于1厘米。

所述的监测装置5也可安装于旋转导向钻具与钻头6之间，装置上端连接旋转导向钻具，下端连接钻头6。

所述传动短节7设有钻井液流道8；传动短节7外部设有上下两个台肩，上台肩用于限定与所述的监测装置5连接的上部钻具，下台肩用于限定轴承12；传动短节7外部设有用于固定永磁体23的凹槽。

所述扶正器11内部设有用于安置稳定单元和信号单元的凹槽，上下两端分别设有用于安装轴承12的台肩，扶正器11的上端面略低于所述传动短节7的上台肩；所述扶正器叶片13外径略小于钻头6尺寸。

所述信号单元的数量为1个；永磁体23的数量可为1个或者多个，永磁体23固定于传动短节7与传感器21同样高度的位置，当永磁体23的数量大于1个时，永磁体23在传动短节7周向均匀分布。

所述轴承12为旋转密封轴承，可为带密封性能的深沟球轴承或带密封性能的滚针轴承或带密封性能的滚柱轴承。

所述传感器21具有额定的感应范围，当永磁体23超出额定范围时传感器21无法感应磁场，传感器21可为霍尔传感器。

如图1与图13所示，基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其原理是：在随钻测量钻具4与钻头6间装有所述的监测装置5；在钻进过程中，由井口转盘1通过给井眼3中的钻柱2施加扭矩使其旋转实现钻井作业，经钻柱2传递的钻压与扭矩通过传动短节7传至钻头6，传动短节7带动永磁体23一起转动；扶正器11通过稳定单元抵住井壁使其相对井壁不转动，传感器21与永磁体23间具有相对转速；传动短节7上的永磁体23转至传感器21处时，传感器21感应永磁体23产生的磁场并将信号传至无线模块22；无线模块22将对信号进行处理并将处理后的电脉冲信号发射至所述监测装置5上端的随钻测量钻具4，永磁体23每转过传感器21一次，无线模块22便发出一个脉冲信号；随钻测量钻具4对所接收的信号进行处理并将其传输至地面，钻井人员通过转速波动情况对粘滑振动进行判别，当出现粘滑振动时钻井人员可通过调整钻井参数等方式对粘滑振动进行抑制。

所述传动短节7上端连接能处理并传输无线模块22发出的电脉冲信号的随钻测量钻具或旋转导向钻具4，下端连接钻头6，传动短节7随钻头6一起转动，二者具有相同的转速。

所述扶正器11相对井壁不转动或以极低的转速转动，扶正器11的上下两端设有带密封性能的轴承12用于保护信号单元和永磁体23；所述传感器21的数量为1个，可为霍尔传感器；所述永磁体的数量可为多个，永磁体23的最佳数量为3个。

对钻头粘滑振动的监测包括对所测数据的处理分析，粘滑振动剧烈程度指标可通过以下任一公式进行判断：

η=N／N _ave ；

η=RPM／RPM _ave ；

其中，η为粘滑振动剧烈程度指标；N为所测时间段内的电脉冲数量；N _ave 为钻进中与所测时段相同时间内的电脉冲的平均数量；RPM为监测所得钻进中钻头的瞬时转速；RPM _ave 为钻进中钻头的平均转速。

所述钻进中钻头的瞬时转速可通过以下公式进行计算： 

RPM=60N／n△t

其中，RPM表示钻头每分钟转动的次数；△t表示指定的时间间隔，单位为秒；n表示永磁体的数量。

如图12所示，所述监测装置5对钻头6转速的监测通过无线模块22将信号传至随钻测量钻具4，随钻测量钻具4对信号进行处理并传至地面；所述随钻测量钻具4包括信号接收模块27、主控器28和脉冲发生器29；井口的泵入管线25处设有一个压力信号接收器30用于监测流体压力波动。

随钻测量钻具4对无线模块22发射的信号处理与传输的实施方案为：钻井过程中，钻柱2等钻井设备安装于井架24上，钻井液经泵入管线25进入钻柱2内环空，循环至钻头6后由钻柱2与井眼3形成的外环空向上流动并由泵出管线26外排；无线模块22将钻头6转动信号传至随钻测量钻具4的信号接收模块27，主控器28对信号进行解码并发出操作指令，控制脉冲发生器29操作；脉冲发生器29为一节流阀，受主控器28的控制进行节流操作，当对流动的流体进行节流操作时流体的流速将出现变化，进一步使流体压力也随之变化，节流阀的开闭将使该处流体压力增大或减小，流体存在压力波动，流体压力的波动频率随主控器28对脉冲发生器29的控制而变化；流体压力波动沿钻柱2向上传递，井口的泵入管线25处设有压力信号接收器30，该压力信号接收器30为一个压力传感器，压力传感器通过管线中流体的瞬间压力波动信号对钻头6处的转动情况进行监测，结合其他电子控制元件得到钻头转速的波动情况；压力脉冲特性包括脉冲宽度和幅值等参数。

    以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，由传动短节（7）、扶正器（11）、轴承（12）、稳定单元、信号单元、永磁体（23）组成，其特征在于：所述的监测装置安装于随钻测量钻具（4）与钻头（6）之间，上端直接与随钻测量钻具（4）相连，下端与钻头（6）直接连接；所述稳定单元包括伸缩块（14）、硬质合金柱（15）、挡块（16）、弹簧（17）、密封圈（18），伸缩块（14）为柱状体，其底部设有用于防脱落的台肩，中心设有用于设置弹簧（17）的弹簧孔，挡块（16）通过螺纹固定于扶正器（11）上，伸缩块（14）与挡块（16）间设有弹簧（17）用于将伸缩块（14）沿径向外推，伸缩块（14）用于稳定井壁的一端镶嵌有硬质合金柱（15）；所述信号单元包括电源（19）、线缆（20）、传感器（21）、无线模块（22），电源（19）通过线缆（20）与传感器（21）连接，传感器（21）通过线缆（20）与无线模块（22）连接；所述传动短节（7）上端设有公扣（9），下端设有母扣（10）；所述扶正器（11）通过轴承（12）安装于传动短节（7）外部，扶正器（11）设有扶正器叶片（13），扶正器叶片（13）沿扶正器（11）周向均匀布置，每一个扶正器叶片（13）均设有用于将扶正器（11）稳定从而使其相对井壁不转动的稳定单元；所述信号单元固定于其中一个扶正器叶片（13）内部，信号单元中的传感器（21）与永磁体（23）设于同一高度，永磁体（23）安装于传动短节（7）上，所述永磁体（23）转至离传感器（21）最近时二者间距离小于1厘米。

2.根据权利要求1所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，其特征在于：所述传动短节（7）设有钻井液流道（8）；传动短节（7）外部设有上下两个台肩，上台肩用于限定与所述的监测装置（1）连接的上部钻具，下台肩用于限定轴承（12）；传动短节（7）外部设有用于固定永磁体（23）的凹槽。

3.根据权利要求1所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，其特征在于：所述扶正器（11）内部设有用于安置稳定单元和信号单元的凹槽，上下两端分别设有用于安装轴承（12）的台肩，扶正器（11）的上端面略低于所述传动短节（7）的上台肩；所述扶正器叶片（13）外径略小于钻头（6）尺寸。

4.根据权利要求1所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，其特征在于：所述信号单元的数量为1个；永磁体（23）数量可为1个或多个，固定于传动短节（7）与传感器（21）同样高度的位置，当永磁体（23）的数量大于1个时其在传动短节（7）周向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，其特征在于：所述轴承（12）为旋转密封轴承，可为带密封性能的深沟球轴承或带密封性能的滚针轴承或带密封性能的滚柱轴承；所述传感器（21）具有额定的感应范围，可为霍尔传感器。

6.基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其特征在于：在随钻测量钻具（4）与钻头（6）间装有如权利要求1-5所述的监测装置（5）；在钻进过程中，由井口经钻柱（2）传递的钻压与扭矩通过传动短节（7）传至钻头（6），传动短节（7）带动永磁体（23）一起转动；扶正器（11）通过稳定单元抵住井壁使其相对井壁不转动，传感器（21）与永磁体（23）间具有相对转速；传动短节（7）上的永磁体（23）转至传感器（21）处时，传感器（21）感应永磁体（23）产生的磁场并将信号传至无线模块（22）；无线模块（22）将对信号进行处理并将处理后的电脉冲信号发射至所述监测装置（5）上端的随钻测量钻具（4），永磁体（23）每转过传感器（21）一次，无线模块（22）便发出一个脉冲信号；随钻测量钻具（4）对所接收的信号进行处理并将其传输至地面，钻井人员通过转速波动情况对粘滑振动进行判别。

7.根据权利要求6所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其特征在于：所述传动短节（7）上端连接能够处理并传输无线模块（22）发出的电脉冲信号的随钻测量钻具（4），下端连接钻头（6），传动短节（7）随钻头（6）一起转动，二者具有相同的转速。

8.根据权利要求6所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其特征在于：所述扶正器（11）相对井壁不转动或以极低的转速转动，扶正器的上下两端设有带密封性能的轴承（12）用于保护信号单元和永磁体（23）；所述传感器（21）的数量为1个，可为霍尔传感器；所述永磁体的数量可为多个，永磁体（23）的最佳数量为3个。

9.根据权利要求6所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其特征在于：对钻头粘滑振动的监测包括对所测数据的处理分析，粘滑振动剧烈程度指标可通过以下任一公式进行判断：

η=N／N _ave ；

η=RPM／RPM _ave ；

其中，η为粘滑振动剧烈程度指标；N为所测时间段内的电脉冲数量；N _ave 为钻进中与所测时段相同时间内的电脉冲的平均数量；RPM为监测所得钻进中钻头的瞬时转速；RPM _ave 为钻进中钻头的平均转速。

10.根据权利要求9所述的基于随钻测量的钻头粘滑振动监测方法，其特征在于：钻进中钻头的瞬时转速可通过以下公式进行计算：

RPM=60N／n△t

其中，RPM表示钻头每分钟转动的次数；△t表示指定的时间间隔，单位为秒；n表示永磁体的数量。

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