CN111487026A - 射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱和方法 - Google Patents

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唐凯
陈建波
彭建新
李奔驰
李妍僖
郭廷亮
聂靖雯
杨登波
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    • E21B43/119Details, e.g. for locating perforating place or direction

Abstract

本发明公开了一种射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱和方法,包括钻杆或油管、上射孔筛管、上压力计托筒及高频射孔压力计、高频多向减震器、下压力计托筒及高频射孔压力计、下射孔筛管、压力延时起爆器和射孔枪组。本发明可以直接测量油气井射孔后,减震器对射孔高频冲击加速度的减震程度,同时通过一系列信号处理及分析方法,分析并得出减震器对射孔高频振动信号的过滤情况。

Description

射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱和方法
技术领域
本发明涉及一种油气井射孔后振动减震效果测试及分析方法,尤其涉及一种油气井射孔后产生的高频振动的减震效果测试及分析井下管柱和方法。
背景技术
近年来,超高温超高压井、超深井不断增加,射孔爆炸后所产生的高频振动成为一个不可忽视的影响因素。在这种油气井射孔作业中,一般采用纵向减震器来缓解射孔振动对油管柱的影响,但纵向减震器能否过滤掉高频振动、减震效果如何却不得而知。为了成功采集射孔爆炸瞬间重要动态参数的变化情况,国内外推出了一些成熟的射孔动态PT仪。如美国IES公司、Qwen公司、英国欧米伽公司等。美国IES公司公司的智能射孔PT仪能够记录压力和温度数据,优点是可以在高冲击的环境下工作,最高抗冲击加速度50000g,缺点是不能采集射孔加速度;Qwen公司的射孔PT仪可以测量温度、压力以及高低量程加速度,但最高耐温123℃;英国欧米伽公司的射孔PT仪耐温175℃、耐压173Mpa,可同时采集包括压力、温度、横向冲击力、纵向冲击力、电池电压在内的多通道数据。国内中科院四川分院、西安石油学院、北京紫贝龙公司、大庆油田等只进行过简单的射孔PT仪设计,不能有效采集射孔瞬间数据,所测得压力或加速度曲线无法反映射孔作业时由爆炸引起的管柱动态响应。以上技术都实现射孔爆炸后的参数采集,但现有技术存在以下不足:1)无法测量出减震器的减震效果如何,具体冲击加速度通过减震器后的降低程度;2)无法分析减震器对射孔高频振动信号的过滤情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱和方法,以克服现有技术的缺陷,本发明可以直接测量油气井射孔后,减震器对射孔高频冲击加速度的减震程度,同时通过一系列信号处理及分析方法,分析并得出减震器对射孔高频振动信号的过滤情况。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,包括钻杆或油管、上射孔筛管、上压力计托筒及高频射孔压力计、高频多向减震器、下压力计托筒及高频射孔压力计、下射孔筛管、压力延时起爆器和射孔枪组;
所述上射孔筛管一端连接在钻杆或油管下端,一端连接在上压力计托筒及高频射孔压力计上端,上压力计托筒及高频射孔压力计的下端连接高频多向减震器,高频多向减震器的下端连接下压力计托筒及高频射孔压力计,下压力计托筒及高频射孔压力计的下端连接下射孔筛管,下射孔筛管的下端连接压力延时起爆器,压力延时起爆器下端连接射孔枪组。
进一步地,上压力计托筒及高频射孔压力计包括上压力计托筒以及安装在上压力计托筒偏心槽内的高频射孔压力计,上压力计托筒上端连接上射孔筛管,下端连接高频多向减震器。
进一步地,下压力计托筒及高频射孔压力计包括下压力计托筒以及安装在下压力计托筒偏心槽内的高频射孔压力计,下压力计托筒上端连接高频多向减震器,下端连接下射孔筛管。
进一步地,所述高频射孔压力计最高采样频率40000HZ,最高耐温175℃,最高耐压173MPa,能够同时采集射孔瞬间压力、温度、横向冲击加速度及纵向冲击加速度。
一种射孔高频振动减震效果测试及分析方法,包括以下步骤:
步骤一:采用射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱采集井下射孔瞬间减震器前后动态参数的变化情况;
步骤二:提取步骤一采集到的射孔瞬态参数,对比分析加速度降低程度;
步骤三:对步骤一采集到的信号进行频谱分析及频谱校正,对比得出高频振动信号滤振情况。
进一步地,步骤一具体为:将井下管柱下入油气井内,地面通过压力车向井筒内加压启动压力延时起爆器,延时起爆射孔枪,同时连接在高频多向减震器两端的压力计监测到起爆信号后,激发高频采样,采集射孔瞬间动态参数,包括射孔瞬间压力、温度、横向冲击加速度及纵向冲击加速度。
进一步地,步骤二中提取射孔瞬间动态参数,测出通过高频多向减震器后的射孔纵向冲击加速度即能够进行比较分析,得出减震效果。
进一步地,步骤三中对射孔所采集到的离散信号利用比值校正法进行频谱校正。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明可以准确测量油气井射孔后产生的冲击振动的减震效果,通过先对比分析减震器前后的射孔纵向冲击加速度降低程度,得出减震效果。再采用比值校正法分别对减震器前后的信号进行频谱校正,再对比减震器前后的压力波频谱,分析同一频率下的幅值降低情况,由此可以分析不同频率振动信号的滤振情况,改进减震器对射孔高频振动的滤振效果,对于设计和改进射孔减震管柱具有重要工程意义。
附图说明
图1为本发明井下管柱的示意图;
其中,1、钻杆或油管;2、上射孔筛管;3、上压力计托筒及高频射孔压力计;4、高频多向减震器;5、下压力计托筒及高频射孔压力计;6、下射孔筛管;7、压力延时起爆器;8、射孔枪组。
图2为XX501射孔纵向冲击加速度。
图3为XX501压力波频谱校正结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明:
一种射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,包括钻杆或油管1、上射孔筛管2、上压力计托筒及高频射孔压力计3、高频多向减震器4、下压力计托筒及高频射孔压力计5、下射孔筛管6、压力延时起爆器7、射孔枪组8。利用图1所示管柱进行减震器减震前后的射孔数据采集,对比得出射孔冲击加速度在通过减震器后的降低情况。并对采集到的数字信号进行频谱分析及频谱校正,比较减震器减震前后对射孔高频振动信号的过滤情况。
所述上射孔筛管2一端连接在钻杆或油管1下端,一端连接在上压力计托筒及高频射孔压力计3上端。
所述上压力计托筒及高频射孔压力计3由压力计托筒、高频射孔压力计、压力计转换接头、压力计固定块等组成。高频射孔压力计安装在上压力计托筒偏心槽内,上压力计托筒上端连接上射孔筛管2,下端连接高频多向减震器4。
所述高频射孔压力计最高采样频率40000HZ,最高耐温175℃,最高耐压173MPa,可同时采集射孔瞬间压力、温度、横向冲击加速度、纵向冲击加速度等参数。
所述高频多向减震器4由壳体、芯轴、减震弹簧、氟橡胶、剪切销钉、上转换接头等组成。减震弹簧可同时缓解射孔瞬间轴向拉伸和压缩冲击力,氟橡胶以及液体阻力可以起到有效过滤射孔高频振动的作用。高频多向减震器4上端连接上压力计托筒及高频射孔压力计3,下端连接下压力计托筒及高频射孔压力计5。
所述下压力计托筒及高频射孔压力计5由下压力计托筒、高频射孔压力计、压力计转换接头、压力计固定块等组成。高频射孔压力计安装在下压力计托筒偏心槽内,下压力计托筒上端连接高频多向减震器4,下端先通过连接下射孔筛管6再连接压力延时起爆器7。
所述压力延时起爆器7安装在射孔枪组8上端,用于通过地面加压起爆射孔枪组。
所述射孔枪组8由射孔枪、射孔弹、导爆索、传爆管等组成,射孔弹爆炸后产生的冲击加速度及压力变化作用在上端管柱及井筒内。
一种射孔高频振动减震效果测试及分析方法,具体包括以下步骤:
一、利用上述管柱采集井下射孔瞬间减震器前后动态参数的变化情况
射孔后产生的高频振动的减震效果测试管柱由钻杆或油管、上射孔筛管、上压力计托筒及高频射孔压力计、高频多向减震器、下压力计托筒及高频射孔压力计、下射孔筛管、压力延时起爆器、射孔枪组等组成。
按照顺序组装该管柱并下入油气井内,地面通过压力车向井筒内加压剪断压力延时起爆器的起爆器销钉,延时起爆射孔枪。同时连接在高频多向减震器两端的压力计监测到起爆信号后,激发高频采样,采集射孔瞬间动态参数,包括射孔瞬间压力、温度、横向冲击加速度、纵向冲击加速度等。
二、提取射孔瞬态参数,对比分析加速度降低程度
提取射孔瞬态参数,如图2即为某口井射孔后未减震前的冲击加速度大小情况。如图,最大冲击可达175.28g/-163.9g,无论是对射孔管柱的向上冲击力和向下拉伸力都比较大。测出通过减震器后的射孔纵向冲击加速度即可进行比较分析,得出减震效果。
三、对采集信号进行频谱分析及频谱校正,对比得出高频振动信号滤振情况
对采集的射孔离散信号作频谱分析时,由于对所采集的连续信号在时域和频域进行了有限化和离散化,这就不可避免的存在频谱泄露,使谱峰值变小,精度降低。这些误差主要包括频谱混迭误差、截断误差和栅栏效应等。
设采样时间T0=(m+1/n)T,其中m为整周期数,n代表了截断误差的大小,在这里称1/n为截断误差系数,T为信号的周期。当n接近无穷大时即为整周期采样,此时基频分量对应于离散谱的第m根谱线,2倍频分量对应于第2m根谱线,依次类推,此时不存在泄漏误差。当n为有限值时为非整周期采样,此时会产生泄漏误差,这是因为1/n不趋近于零,没有谱线对应的频率和基频分量完全一致,只有第m根谱线相对应的频率与基频分量最接近。
频谱校正的基本原理是利用FFT谱分析的结果,反推出信号的真实频率、幅值和相位。现有的绝大多数误差校正算法都是利用FFT谱分析结果的模或者相角特性反推出频率校正量,再进行各参数的校正。对射孔所采集到的离散信号推荐采集比值校正法进行频谱校正。
比值校正法的基本原理是对有限长度的信号加窗进行FFT变换,然后根据窗函数的类型利用归一化后差值为1的主瓣峰顶附近二条谱线的窗函数的比值,建立一个以校正频率为变量的方程解出校正频率,进而进行幅值和相位的校正。
设窗函数频谱表达式为f(x),其对应离散频谱为Yx。定义窗谱主瓣内相对较高的三根谱线分别为f(x-1),f(x)和f(x+1)。相应的其离散频谱对应的三根谱线分别为Yx-1,Yx和Yx+1,其中Yx>Yx-1,Yx>Yx+1。如果Yx-1<Yx+1,构造下列函数:
解出x,可得频率校正量Δk=-x。
如果Yx-1>Yx+1,构造下列函数:
解出x,可得频率校正量Δk=-x-1。
由此,可得校正后的频率为:
式中k(k=0,1,2,…N/2-1)为谱线号,N为分析点数,fs为采样频率。
由频率校正量Δk可得幅值校正量:
Hanning窗幅值校正公式为:
该方法对不同的窗函数有相同的频率校正量求取公式,但幅值校正公式随窗函数的不同而不同。由于矩形窗的旁瓣高,性能不好,在工程实际中,为了改善其性能,减小泄露,通常采用Hanning窗来代替矩形窗。同时,由频率校正量Δk可得相位校正公式为:
其中θ'为校正后相位,为校正前相位;
如果信号的实部为Rk,虚部为Ik,则上式可改写为:
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述:
图3显示的是XX501井压力波频谱校正后的结果。从结果上看射孔压力波主要集中在83.1HZ-4583HZ的宽频范围内,其中以83.1Hz下的压力波峰最大255.6psi。对比减震器前后的压力波频谱,分析同一频率下的幅值降低情况,即可得出油气井高频信号过滤情况。

Claims (8)

1.射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,其特征在于,包括钻杆或油管(1)、上射孔筛管(2)、上压力计托筒及高频射孔压力计(3)、高频多向减震器(4)、下压力计托筒及高频射孔压力计(5)、下射孔筛管(6)、压力延时起爆器(7)和射孔枪组(8);
所述上射孔筛管(2)一端连接在钻杆或油管(1)下端,一端连接在上压力计托筒及高频射孔压力计(3)上端,上压力计托筒及高频射孔压力计(3)的下端连接高频多向减震器(4),高频多向减震器(4)的下端连接下压力计托筒及高频射孔压力计(5),下压力计托筒及高频射孔压力计(5)的下端连接下射孔筛管(6),下射孔筛管(6)的下端连接压力延时起爆器(7),压力延时起爆器(7)下端连接射孔枪组(8)。
2.根据权利要求1所述的射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,其特征在于,上压力计托筒及高频射孔压力计(3)包括上压力计托筒以及安装在上压力计托筒偏心槽内的高频射孔压力计,上压力计托筒上端连接上射孔筛管(1),下端连接高频多向减震器(4)。
3.根据权利要求1所述的射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,其特征在于,下压力计托筒及高频射孔压力计(5)包括下压力计托筒以及安装在下压力计托筒偏心槽内的高频射孔压力计,下压力计托筒上端连接高频多向减震器(4),下端连接下射孔筛管(6)。
4.根据权利要求2或3所述的射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,其特征在于,所述高频射孔压力计最高采样频率40000HZ,最高耐温175℃,最高耐压173MPa,能够同时采集射孔瞬间压力、温度、横向冲击加速度及纵向冲击加速度。
5.一种射孔高频振动减震效果测试及分析方法,采用权利要求1所述的射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:采用射孔高频振动减震效果测试及分析井下管柱采集井下射孔瞬间减震器前后动态参数的变化情况;
步骤二:提取步骤一采集到的射孔瞬态参数,对比分析加速度降低程度;
步骤三:对步骤一采集到的信号进行频谱分析及频谱校正,对比得出高频振动信号滤振情况。
6.根据权利要求5所述的一种射孔高频振动减震效果测试及分析方法,其特征在于,步骤一具体为:将井下管柱下入油气井内,地面通过压力车向井筒内加压启动压力延时起爆器,延时起爆射孔枪,同时连接在高频多向减震器两端的压力计监测到起爆信号后,激发高频采样,采集射孔瞬间动态参数,包括射孔瞬间压力、温度、横向冲击加速度及纵向冲击加速度。
7.根据权利要求5所述的一种射孔高频振动减震效果测试及分析方法,其特征在于,步骤二中提取射孔瞬间动态参数,测出通过高频多向减震器后的射孔纵向冲击加速度即能够进行比较分析,得出减震效果。
8.根据权利要求5所述的一种射孔高频振动减震效果测试及分析方法,其特征在于,步骤三中对射孔所采集到的离散信号利用比值校正法进行频谱校正。
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