CN112459706B - 一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，包括在空气锤钻进的过程中，固定于顶驱位置的三轴振动信号采集器分别采集正常钻进、憋钻和跳钻时的振动数据。其中，无线发射模块与三轴振动信号采集器相连接，在气体钻井作业中，通过无线发射模块将随钻采集到的振动数据实时传输到地面监控系统，对比实时振动数据与样本数据求取匹配距离，根据筛选出最小匹配距离识别空气锤钻进时的憋跳钻情况。本发明方法操作简便，可连续实时监测钻柱的振动情况，快速判断空气锤钻进时的井下憋跳钻情况，提高了气体钻井的安全性。

Description

一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法
技术领域
本发明涉及油气开采领域，尤其涉及油气开采领域中实时监测空气锤钻进过程中井下憋跳钻的方法，为气体钻井的正常钻进提供一种随钻监测手段，特别是提出一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法。
背景技术
在气体钻井作业中，憋钻会导致钻具扭矩增大，增加钻具事故的可能性。跳钻则降低了空气锤对岩石的破碎效果，且反弹回来的冲击会加重空气锤零部件的振动破坏。
当空气锤冲击钻进时，单次冲击结束后会发生跳钻，为了防止跳钻，需要在空气锤上施加钻压。施加的钻压有助于冲击应力波有效传递到岩石上进行破岩。但钻压过大，使得空气锤钻头齿与岩石接触过于紧密，增加了憋钻的可能性。钻速过大时，两次冲击的扇形区域增大，空气锤钻头的回转扭矩增加，增加了憋钻的可能性。井壁掉块也可能导致井下憋钻情况。通过随钻识别井下憋跳钻情况，合力控制气体钻井过程中的钻压和转速，可降低空气锤钻头齿的磨损和钻具损坏事故，提高气体钻井的安全性。目前还未见到空气锤钻进过程中的井下憋跳钻识别方法。
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，提供一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，包括如下步骤：
S1.在钻柱上安装三轴振动信号传感器，将三轴振动信号传输至三轴振动信号采集器，三轴振动信号采集器安装于钻柱顶驱位置，三轴振动信号采集器连接无线发射模块，通过无线发射模块将获取的钻柱振动数据实时传输到地面监控系统。
进一步的技术方案是，三轴振动信号传感器紧贴钻柱，且三轴振动信号传感器三轴方向与钻柱的三轴方向一致，从而使三轴振动信号传感器能充分捕获钻柱在三轴方向上的振动数据。
S2.在地面监控系统中建立空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库，所述空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库用于存储典型正常状况下钻柱在轴向、径向、周向上的振动曲线，作为正常钻进时钻柱振动的比对样本。
进一步的是，所述空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库中，每个样本均由P个单位时间内轴向、径向、周向的钻柱振动曲线构成。
S3.建立空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库，分别用于存储憋钻和跳钻情况下钻柱在轴向、径向、周向上的振动曲线，作为钻进过程中憋钻和跳钻情况下钻柱振动的比对样本。
进一步的是，所述空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库中，每个样本均由P个单位时间内轴向、径向、周向的钻柱振动曲线构成。
S4.钻进过程中，三轴振动信号采集器随钻采集三轴振动信号传感器获取的振动模拟信号并转换为数字信号，实时记录钻柱在轴向、径向和周向上的振动数据。
S5.以当前单位时间ts作为起点，测试并记录ts-ts+pP个单位时间内的钻柱在轴向、径向和周向上钻柱三轴振动曲线，分别与空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在跳钻情况的钻柱振动样本库中的样本进行比对；
若与其中的样本比对成功，则可判断为井底发生该样本对应的情况，即正常、憋钻或跳钻；
当发现憋钻或跳钻时，应采取对应的处理措施。
进一步的技术方案是，空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库通过实验室实验、现场试验或参考邻井钻井钻进资料的方式确定和建立。
进一步的技术方案是，步骤S5中，采用动态时间规整算法将需要比对的振动曲线逐个与样本库中样本求取匹配距离，筛选出最小匹配距离，则振动曲线对应的情况与匹配距离最小的样本对应的情况一致。
本发明的有益效果：
1.正常气体钻井条件下，尤其是采用空气锤钻进作业时，钻柱振动虽然具有一定的随机性，但是随时间基本在一定幅度范围内波动。然而当发生憋跳钻的情况，钻柱轴向振动加剧，径向振动幅值会大幅波动。然而当发生憋跳钻的情况，钻柱轴向振动加剧，径向振动幅值会大幅波动，且扭矩测量信号波形会发生异变，对于判断憋跳钻或井壁掉块有非常重要的意义。
2.此外，由于气体钻井过程中，井筒中没有泥浆的存在，钻柱振动大幅高于泥浆钻井，且空气锤振动信号的传递也更加直接和迅速，使得地面对井底振动变化的检测更为可靠，检测到的振动变化信号包含更丰富的信息，也更有价值。
3.本发明提供的利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法中，设备简单，有助于提高监测可靠性；对空气锤憋钻、跳钻状况的监测更为及时，有利于气体钻井施工及时采取正确的钻井施工方案，发现未知油气储层，避免重大的事故隐患；原理简单可靠，操作简便，可长期稳定工作，监测连续实时、迅速，判断结果直观，复合钻井施工的需求。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为实施例提供的应力波变化曲线图。
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。
如图1所示，本发明的一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，包括如下步骤：
S1.安装信号采集设备
在钻柱上安装三轴振动信号传感器，三轴振动信号传感器紧贴钻柱且其三轴方向与钻柱的三轴方向保持一致，从而使三轴振动信号传感器能够充分捕获钻柱在三轴方向上的振动模拟信号并实时传输三轴振动信号采集器，三轴振动信号采集器安装在钻柱顶驱位置，其连接无线发射模块，并通过无线发射模块将三轴振动信号采集器获取的钻柱振动数据实时传输到地面监控系统。
进一步的是，钻柱在周向上的振动数据来自三轴振动信号传感器的横滚角数据。
注：三轴信号传感器模拟信号实时传输可以避免传输过程中引入的新的模拟噪声。
S2.建立正常钻进时的振动样本库
在地面监控系统中建立空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库。
进一步的技术方案是，所述空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库用于存储典型正常状况下钻柱在轴向、径向、周向上的振动曲线，作为正常钻进时钻柱振动的比对样本；所述空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库中，每个样本均由P个单位时间内轴向、径向、周向的钻柱振动曲线构成。
S3.建立憋钻情况下的钻柱振动样本库和跳钻情况下钻柱振动样本库
在地面监控系统中建立空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库。
进一步的是，空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库，分别用于存储憋钻和跳钻情况下钻柱在轴向、径向、周向上的振动曲线，作为钻进过程中憋钻和跳钻情况下钻柱振动的比对样本；所述空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库中，每个样本均由P个单位时间内轴向、径向、周向的钻柱振动曲线构成。
S4.采集钻进过程中的三轴信号
在钻进过程中，所述三轴振动信号采集器随钻采集三轴振动信号传感器获取的振动模拟信号并转换为数字信号，实时记录钻柱在轴向、径向和周向上的振动数据并在地面监控系统中显示相应的振动曲线。
S5.将采集的三轴数据与样本库中的数据进行比对
以当前单位时间ts作为起点，测试并记录ts-ts+p，P个单位时间内的钻柱在轴向、径向和轴向上钻柱三轴振动曲线，分别与空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在跳钻情况下钻柱振动样本库中的样本进行比对。
若与其中的样本比对成功，则可视为井底发生该样本对应的情况，即正常、憋钻或跳钻；当发现憋钻或跳钻时，应采取对应的处理措施。
进一步的是，空气锤在正常钻进时的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库可以通过实验室实验、现场试验或参考邻井钻进资料等方式确定和建立。也可以在钻柱的轴向、径向、周向上分别建立样本库。
进一步的技术方案是，在样本比对过程中，可采用动态时间规整算法(DTW)将需要比对的振动曲线y逐个与样本库中样本Snm求取匹配距离Kin，筛选出最小匹配距离，则振动曲线y对应的情况与匹配距离最小的样本对应的情况一致。
进一步的是，可以将轴向振动曲线、径向振动曲线和周向振动曲线分别和每个样本的轴向振动曲线、径向振动曲线和周向振动曲线比对计算匹配距离，以加总的方式计算总匹配距离，并筛选处最小的总匹配距离。
实施例
本发明于2020年8月26日-8月28日进行中石化新8-2井的技术运用实施测试。8月27日22:56:51，井深4939.47m，钻遇新8-2井第六条裂缝，甲烷浓度瞬时值达93.46％，产气量瞬时值高达205.78万方/天。应力波最早呈现异常，基本停止震荡，成功反应井下异常工况。本技术在第一时间识别出井下蹩跳转，极大程度上避免了蹩跳转的后续危害。应力波变化曲线如图2所示：
如图2，在正常钻进过程中，应力波于22:56:21左右突然停止震荡，振幅基本为零。且其后两分钟内数次发生同样现象，排除非司钻操作停钻，可知井下极大可能发生憋跳转。结合后期气体组分监测数据可确定井下由于钻遇气层导致憋跳转。综上，本发明成功在第一时间反映识别出井下蹩跳转。
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 (6)

1.一种利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.安装信号采集设备
在钻柱上安装三轴振动信号传感器，将三轴振动信号传输至三轴振动信号采集器，三轴振动信号采集器安装于钻柱顶驱位置，三轴振动信号采集器连接无线发射模块，通过无线发射模块将获取的钻柱振动数据实时传输到地面监控系统；
S2.建立正常钻进时的振动样本库
在地面监控系统中建立空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库，空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库用于存储典型正常状况下钻柱在轴向、径向、周向上的振动曲线，作为正常钻进时钻柱振动的比对样本；
S3.建立憋钻情况下的钻柱振动样本库和跳钻情况下钻柱振动样本库建立空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库，分别用于存储憋钻和跳钻情况下钻柱在轴向、径向、周向上的振动曲线，作为钻进过程中憋钻和跳钻情况下钻柱振动的比对样本；
S4.采集钻进过程中的三轴信号
钻进过程中，三轴振动信号采集器随钻采集三轴振动信号传感器获取的振动模拟信号并转换为数字信号，实时记录钻柱在轴向、径向和周向上的振动数据；
S5.将采集的三轴数据与样本库中的数据进行比对
以当前单位时间ts作为起点，测试并记录ts-ts+p，P个单位时间内的钻柱在轴向、径向和周向上钻柱三轴振动曲线，分别与空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在跳钻情况的钻柱振动样本库中的样本进行比对；
若与其中的样本比对成功，则可判断为井底发生该样本对应的情况，即正常、憋钻或跳钻；
当发现憋钻或跳钻时，应采取对应的处理措施。
2.根据权利要求1所述的利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，其特征在于，三轴振动信号传感器紧贴钻柱，且三轴振动信号传感器三轴方向与钻柱的三轴方向一致。
3.根据权利要求1所述的利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，其特征在于，空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库中，每个样本均由P个单位时间内轴向、径向、周向的钻柱振动曲线构成。
4.根据权利要求1所述的利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，其特征在于，所述空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库和空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库中，每个样本均由P个单位时间内轴向、径向、周向的钻柱振动曲线构成。
5.根据权利要求1所述的利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，其特征在于，空气锤正常钻进时的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在憋钻情况下的钻柱振动样本库、空气锤钻进时在跳钻情况下的钻柱振动样本库通过实验室实验、现场试验或参考邻井钻井钻进资料的方式确定和建立。
6.根据权利要求1所述的利用空气锤三轴振动信号识别井下憋跳钻的方法，其特征在于，步骤S5中，采用动态时间规整算法将需要比对的振动曲线逐个与样本库中样本求取匹配距离，筛选出最小匹配距离，则振动曲线对应的情况与匹配距离最小的样本对应的情况一致。
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