CN107229599A - 一种监测钻柱扭转振动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种监测钻柱扭转振动的方法，包括：步骤1：基于钻具组合参数、钻柱力学性质参数计算得到钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗；步骤2：根据所述钻柱的特性阻抗以及井底钻具惯量建立关于粘滑频率的相关函数，计算得到钻柱的理论粘滑频率；步骤3：根据所述钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗及理论粘滑频率，结合带通的滤波转矩计算出钻头的动态角速度；步骤4：根据所述的钻头的动态角速度经过低通滤波，然后再进行相应计算，得到钻柱的扭转振动强度指数。本发明方法较为简单而准确地能够为井下振动情况进行量化评价。

Description

一种监测钻柱扭转振动的方法
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种监测钻柱扭转振动的方法。
背景技术
钻井工程是石油天然气勘探开发的重要手段，而钻柱是井下工作的重要工具，是井底钻头与地面钻井设备的主要纽带。钻柱在钻井的过程中，由于石油钻井的工作环境非常复杂，钻柱与井壁、钻井液和底层及钻头之间相互作用产生摩擦引起钻柱的振动，这被认为是一些问题的主要来源，例如过度磨损，过早的刀具故障以及较差的钻孔速率等一系列问题，大大降低作业效率，增加其成本。
在钻井过程中，钻柱的主要运动是向下旋转运动，并伴随着横向振动、纵向振动和扭转振动等多种振动。横向振动是由于地层原因或者井眼轨迹原因导致钻头吃入不足，从而造成钻柱不沿着井眼中心旋转，产生巨大的离心力，使钻柱与周边岩壁产生碰撞，严重影响了钻井效率。轴向振动是由于井底钻头轴向跳动而与地面脱离接触而产生的。而扭转振动是由于钻头在钻进瞬间的转矩能量不够满足破岩转矩时，钻头将处于停钻状态，井底钻具惯量在顶驱的作用下继续旋转，当井底钻具惯量扭转积累的能量足以破碎岩层时，积累的能量瞬间释放，此时钻头将于数倍顶驱的转速旋转，这对井下钻具组合产生了巨大的破坏作用，而当下对于扭转振动的监测技术还不是很成熟。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种监测钻柱扭转振动的方法。
一种监测钻柱扭转振动的方法，包括以下步骤：
步骤1：基于钻具组合参数、钻柱力学性质参数计算得到钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗；
步骤2：根据所述钻柱的特性阻抗以及井底钻具惯量建立关于粘滑频率的相关函数，计算得到钻柱的理论粘滑频率；
步骤3：根据所述钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗及理论粘滑频率，结合带通的滤波转矩计算出钻头的动态角速度；
步骤4：根据所述的钻头的动态角速度经过低通滤波，然后再进行相应计算，得到钻柱的扭转振动强度指数。
进一步地，如上所述的方法，步骤1中，所述钻柱的扭转柔量为：
上式中，C为总的钻柱扭转柔量，lj为第j节的钻柱长度，Ip,j为第j节的钻柱横截面极矩，G为钻柱的剪切弹性模量；
所述钻柱的特性阻抗为：
上式中，Ip为钻柱的横截面极矩，ρ为钻柱密度，G为钻柱的剪切弹性模量。
进一步地，如上所述的方法，步骤2中，所述钻柱的理论粘滑频率为：
上式中，Jb为井底钻具惯量，l为钻杆长度，c为钻柱的扭转波传播速度。
进一步地，如上所述的方法，步骤3中，所述钻头的动态角速度为：
上式中，Tbp为带通滤波转矩，l为钻杆长度，rd为顶驱的反射系数，k为钻柱的波数；
上式中，ω为钻柱角频率。
进一步地，如上所述的方法，步骤(4)中，所述钻柱的扭转振动强度指数
上式中，LP()为低通滤波，Ωset为设定的电机驱动角速度。
有益效果：
本发明提供的钻柱扭转振动监测方法，是根据钻杆相关参数、钻头动态角速度、粘滑频率等相关性质参数，计算出粘滑振动强度指数，最终通过粘滑振动强度指数能够实时准确判断井下扭转振动情况，从而提高了钻井效率。本发明通过计算粘滑振动强度指数能够量化钻头速度变化并估计即时钻头速度而不使用井下测量。而且本发明方法较为简单而准确地能够为井下振动情况进行量化评价。
附图说明
图1为本发明监测钻柱扭转振动的方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明监测钻柱扭转振动的方法流程示意图，如图1所示，该方法包括步骤：
S101：基于钻具组合参数、钻柱力学性质参数计算得到钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗；
S102：根据所述钻柱的特性阻抗以及井底钻具惯量建立关于粘滑频率的相关函数，计算得到钻柱的理论粘滑频率；
S103：根据所述钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗及理论粘滑频率，结合带通的滤波转矩计算出钻头的动态角速度；
S104：根据所述的钻头的动态角速度经过低通滤波，然后再进行相应计算，得到钻柱的扭转振动强度指数。
在步骤S101中，所述钻柱的扭转柔量为：
在公式(1)中，C为总的钻柱扭转柔量，lj为第j节的钻柱长度，Ip,j为第j节的钻柱横截面极矩，G为钻柱的剪切弹性模量；
所述钻柱的特性阻抗为：
在公式(2)中，Ip为钻柱的横截面极矩，ρ为钻柱密度，G为钻柱的剪切弹性模量。
本发明实施例中，钻柱的扭转柔量考虑了钻柱的剪切弹性模量、钻柱横截面极矩以及钻柱长度。钻柱的特性阻抗考虑了钻柱横截面极矩、钻柱密度及钻柱的剪切弹性模量等参数，通过这些参数可以提高最终计算得到钻柱扭转振动强度指数的准确度。
在步骤S102中，所述钻柱的理论粘滑频率为：
在公式(3)中，Jb为井底钻具惯量，l为钻杆长度，c为钻柱的扭转波传播速度，ω为钻柱的粘滑角频率。其中钻柱的波传播速度：
钻柱速度振幅为：
适用于PLC实现的时域形式的钻头动态角速度为：
公式(6)为公式(5)在PLC应用中的时域形式，在公式(5)(6)中，Tbp为带通滤波转矩，rd为顶驱的反射系数，C为钻杆扭转柔度，k为钻柱的波数，l为钻杆长度，i为复数的虚部,Ts为钻柱顶部振幅的复合转矩，ω为钻柱角频率；
由于粘滑运动由基本粘滑频率支配，所以可以仅基于该基本粘滑频率实现相当好的估计。公式(6)是公式(5)在PLC应用中的时域形式，其采用时间微分的积分近似法，省略了通常比第一项小得多的第二项，它是基于一个单一的部分钻柱，模拟已经表明，它也提供了对多部分钻柱的良好的估计。
所述粘滑扭转振动强度指数为：
在公式(8)中，LP()为低通滤波，Ωset为设定的电机驱动角速度。
本发明实施例中，计算出了实时钻头角速度，再通过与设定钻速的函数关系，最终计算得出钻柱扭转振动的强度指数。
本发明各上述实施例中，相同的符号表示为相同的物理意义。
本发明实施例提供了一种可实时监测井下钻具产生扭转振动强度的方法，通过对井下钻具扭转振动强度的量化判别，提高了钻井过程中的钻井效率，并且对钻具的保护起到很大作用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种监测钻柱扭转振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于钻具组合参数、钻柱力学性质参数计算得到钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗；
步骤2：根据所述钻柱的特性阻抗以及井底钻具惯量建立关于粘滑频率的相关函数，计算得到钻柱的理论粘滑频率；
步骤3：根据所述钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗及理论粘滑频率，结合带通的滤波转矩计算出钻头的动态角速度；
步骤4：根据所述的钻头的动态角速度经过低通滤波，然后再进行相应计算，得到钻柱的扭转振动强度指数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述钻柱的扭转柔量为：
<mrow> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mi>j</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mi>G</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
上式中，C为总的钻柱扭转柔量，lj为第j节的钻柱长度，Ip,j为第j节的钻柱横截面极矩，G为钻柱的剪切弹性模量；
所述钻柱的特性阻抗为：
<mrow> <mi>&amp;xi;</mi> <mo>=</mo> <mi>I</mi> <mi>p</mi> <msqrt> <mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>G</mi> </mrow> </msqrt> </mrow>
上式中，Ip为钻柱的横截面极矩，ρ为钻柱密度，G为钻柱的剪切弹性模量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述钻柱的理论粘滑频率为：
<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>p</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>J</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <mi>&amp;zeta;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
上式中，Jb为井底钻具惯量，l为钻杆长度，c为钻柱的扭转波传播速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述钻头的动态角速度为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> <mi>C</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dT</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>)</mo> <mi>k</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>C&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;ap;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> <mi>C</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>
上式中，Tbp为带通滤波转矩，l为钻杆长度，rd为顶驱的反射系数，k为钻柱的波数；
<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </mfrac> </mrow>
上式中，ω为钻柱角频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述钻柱的扭转振动强度指数
<mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>L</mi> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <msub> <mi>&amp;Omega;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
上式中，LP()为低通滤波，Ωset为设定的电机驱动角速度。
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