CN114705289A - 随钻钻具振动测量方法及系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种随钻钻具振动测量方法及系统和设备，所述测量方法包括：利用振动监测单元进行井下钻具振动测量，获取横向振动数据和轴向振动数据；利用小波变换对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项；将沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya分别确定为横向加速度的两个正交分量axc和ayc；根据沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya，确定钻具横向振动加速度alat。本发明能够准确测量钻具横向振动参数，从而实现对井下钻柱振动状态的实时监测，辅助工程技术人员实现钻井施工安全进行。
Description
技术领域
本发明涉及随钻测量技术领域，具体来讲，涉及一种随钻钻具振动测量方法、一种随钻钻具振动测量系统、一种计算机设备和一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。
背景技术
在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒。由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。在一些井况条件下，钻柱振动的状态极其复杂，钻柱内的交变应力和振幅相当大，导致钻柱断裂或黏扣。
钻柱振动状态监测是目前油气钻井技术研究中的一个重要领域，钻柱振动主要包括纵向振动、横向振动和粘滑振动，其中横向振动形成机理复杂、对钻柱的危害大。通过研究钻柱振动发生机理、钻柱振动测量方法、钻柱振动数据处理方法以及钻柱振动量级分级等，实现对井下钻柱振动状态的实时监测，辅助工程技术人员实现钻井施工安全进行。
现有技术中，一般都是通过经验和观察识别井下振动状况，或是通过振动加速度计进行井下钻具振动相关参数的测量，但并未针对井下钻具横向振动相关参数进行测量。例如，于2018年1月9日公开的发明名称为一种基于三轴正交加速度计的井下钻柱振动测量系统、公开号为CN206862488U的专利文献记载了一种基于三轴正交加速度计的井下钻柱振动测量系统，其包括井下钻具组合、钻柱振动测量单元、信号调理单元、井下控制单元、井下存储单元、数据通信单元、井下电源系统、上位机。该专利文献提供的井下钻柱振动测量系统采用随钻多点测量、实时数据存储、钻后数据分析的方法，可安装在井下钻具组合的任意位置，对井下具体位置振动情况进行测量和分析。于2018年1月19日公开的发明名称为一种井下振动实时测量系统、公开号为CN107605467A的专利文献记载了一种井下振动实时测量系统，包括供电单元、扶正器单元、振动测量单元，锥形密封帽及定向托盘，其中，振动测量单元包括单片机，保护壳体，铜接头组件及振动参数测量器；定向托盘固定连接钻铤，用于固定井下振动实时测量系统；锥形密封帽固定连接定向托盘，用于降低钻井液流速；振动参数测量器设置在保护壳体内，电连接单片机，用于测量钻具振动相关数据，并将测量的数据发送至单片机，以由单片机处理钻具振动相关数据并存储处理后的数据；扶正器单元固定连接在供电单元与保护壳体之间，用于平衡井下振动实时测量系统；供电单元电连接单片机及振动参数测量器，用于提供电能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种随钻钻具振动测量方法，用于处理钻柱横向振动测量数据，从而实现对井下钻柱振动状态的实时监测，辅助工程技术人员实现钻井施工安全进行。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种随钻钻具振动测量方法，所述测量方法包括以下步骤：利用振动监测单元进行井下钻具振动测量，获取横向振动数据和轴向振动数据；利用小波变换对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项，所述低频趋势项包括径向加速度分量rω2表现出的趋势项和切向加速度分量
表现出的趋势项；将沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya分别确定为横向加速度的两个正交分量axc和ayc；根据沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya，确定钻具横向振动加速度alat。
在本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例中，滤波处理时，可选用db5小波作为基函数。
在本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例中，所述钻具横向振动加速度alat的计算式可如下所示：
式中，alat为钻具横向振动加速度，g(9.8m/s2)；Xa为沿着钻柱径向加速度测量值，m/s2；Ya为沿着钻柱切向加速度测量值，m/s2。
在本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例中，可根据钻具横向振动加速度alat的计算结果，划分振动烈度。
在本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例中，三轴加速度测量值的物理表达式如下所示：
式中，Xa为沿着钻柱径向加速度测量值，m/s2；Ya为沿着钻柱切向加速度测量值，m/s2；r为偏心距，m；ω为钻柱井下转速，rpm；Za为沿着钻柱轴向加速度测量值，m/s2；axc和ayc为横向加速度的两个正交分量，m/s2；azc为轴向加速度，m/s2。
本发明另一方面提供了一种设备，所述设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的钻具振动测量方法。
本发明再一方面提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的钻具振动测量方法。
本发明再一方面提供了一种随钻钻具振动测量系统，所述测量系统包括振动监测单元、滤波处理单元和横向振动计算单元，其中，所述振动监测单元偏心安装在钻具上，用于获取横向振动数据和轴向振动数据；所述滤波处理单元与所述振动监测单元连接，用于对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项；所述横向振动计算单元与所述滤波处理单元连接，用于根据滤波处理后的横向振动数据计算钻具横向振动加速度alat。
在本发明的随钻钻具振动测量系统的一个示例性实施例中，所述振动监测单元可由三轴正交的MEMS加速度传感器和采集传输电路构成。
在本发明的随钻钻具振动测量系统的一个示例性实施例中，所述测量系统还可包括横向振动烈度划分单元，所述横向振动烈度划分单元与所述横向振动计算单元连接，用于根据钻具横向振动加速度alat的计算结果，划分振动烈度，并绘制横向振动烈度曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明创新性提出了利用小波变换分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项，既实现了非平稳干扰信号的有效去除，也避免了变换过程中出现损失掉时间信息，可以达到做好的数据处理效果，其获得钻具横向振动参数具有真实性、有效性和准确性；
(2)本发明能够准确测量钻具横向振动参数，从而实现对井下钻柱振动状态的实时监测，辅助工程技术人员实现钻井施工安全进行。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例的钻具振动测量方法的流程示意图。
图2示出了本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例的横向振动数据实测值的曲线示意图。
图3示出了本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例的小波滤波后的横向振动数据的曲线示意图。
图4示出了本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例的横向振动烈度的曲线示意图。
图5示出了本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例的振动监测单元安装示意图。
附图标记说明：
1-振动监测单元。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的随钻钻具振动测量方法及系统和设备。
现有技术中，大多采用加速度计组合的方式实现振动信号采集，并获得三轴加速度计测量值，三轴加速度计测量值的物理表达式如下所示：
式中，Xa为沿着钻柱径向加速度测量值，m/s2；Ya为沿着钻柱切向加速度测量值，m/s2；r为偏心距，m；ω为钻柱井下转速，rpm；Za为沿着钻柱轴向加速度测量值，m/s2；axc和ayc为横向加速度的两个正交分量，m/s2；azc为轴向加速度，m/s2。
钻具横向振动数据主要反映加表测量值axc和ayc上，但由于钻具在井下处于旋转状态，加表输出中还分别夹杂了径向加速度分量rω2和切向加速度分量
在钻具旋转速度较低的情况下，径向加速度分量rω2和切向加速度分量
很小，可以忽略不计；如果钻具旋转速度较快，则径向加速度分量rω2和切向加速度分量
会大到足以影响对横向振动状态的判断。
径向加速度分量rω2和切向加速度分量
在横向振动信号中表现为趋势项，且由于井下钻具转速受多种因素的影响，其趋势项的变化也呈非常复杂的变化特性，可以看作是非平稳干扰信号。非平稳干扰信号在利用传统的基于傅里叶变换的滤波方法进行处理时，往往很难达到好的效果。传统的基于傅里叶变换的滤波方法主要有以下三个不足：第一，Fourier变换过程中会损失掉时间信息，它不能同时进行时域分析。第二，Fourier变换理论上只能适合平稳信号，即信号频率还会随着时间而变化，不能直接用于频率会随着时间变化的非平稳信号。第三，Fourier变换时频分辨率相互制约，两者不能够同时到达最好的效果。
因此，有必要形成一种针对钻具振动数据的处理方法，用于排除低频趋势项对钻具横向振动数据的干扰，实现钻具横向振动的准确测量。发明人经研究发现：针对钻柱振动信息中的随机噪声分量(包括平稳噪声和非平稳噪声)，可以利用小波变换信号处理方法来分离和去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项，从而可以滤除掉振动信号中的非平稳信号，保证测量获得的横向振动参数的准确性。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种随钻钻具振动测量方法。
在本发明的随钻钻具振动测量方法的一个示例性实施例中，如图1所示，随钻钻具振动测量方法包括以下步骤。
步骤一，利用振动监测单元进行井下钻具振动测量，获取横向振动数据和轴向振动数据。
需要说明的是，井下钻具振动数据通过脉冲(例如，mwd传输)方式传递到地面。
步骤二，利用小波变换对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项。低频趋势项包括径向加速度分量rω2表现出的趋势项和切向加速度分量
表现出的趋势项。
步骤三，将沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya分别确定为横向加速度的两个正交分量axc和ayc。
步骤四，根据沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya，确定钻具横向振动加速度alat。
本发明采用小波变换对振动信号趋势项进行处理，并取得了较好的效果。由基本小波或母小波ψ(t)通过伸缩a和平移b产生一个函数族{ψb,a(t)}称为小波，有：
式中a是尺度因子，有a＞0，b是时移因子。如果a＜1，则波形收缩；反之，若a＞1，则波形伸展。这里a-1/2可保证在不同的a值下，即在小波函数的伸缩过程中能量保持相等。信号x(t)的小波变换为：
由上式可见，小波变换是用小波基函数
代替傅里叶变换中的基函数ej2πft。函数
有极其丰富的连续和离散形式，包括ej2πft的三角基函数。小波变换的实质就是以基函数
的形式将信号x(t)分解为不同频带的子信号。
对信号x(t)进行小波变换相当于通过小波的尺度因子和时移因子变化去观察信号。当a减小时，小波函数的时宽减小，频宽增大；当a增大时，小波函数的时宽增大，频宽减小。小波变换的局部化是变化的，在高频处时间分辨率高，频率分辨率低；在低频处，时间分辨率低，频率分辨率高，即具有“变焦”的性质，也就是具有自适应窗的性质。
在本实施例中，滤波处理时，可选用db5小波作为基函数。小波基函数有很多种，比如Haar小波、Daubechies(db)小波、Mexican Hat(mexh)小波、Morlet小波等，不同的小波函数在信号分析时，其特点也不尽相同。本发明通过比较几种不同小波基函数的处理效果，选用db小波作用基函数，db小波又有db1、db2、db3、dbn等多种类型。由于本发明所用的技术是在随钻振动测量方面，这些仪器所用的处理器能力通常有限，且需处理的数据信息也越来越多，往往会导致硬件资源紧张。因此，本发明在数据运算量及处理效果上综合权衡，选择了db5小波。
在本实施例中，钻具横向振动加速度alat的计算式可如下所示：
式中，alat为钻具横向振动加速度，g(9.8m/s2)；Xa为沿着钻柱径向加速度测量值，m/s2；Ya为沿着钻柱切向加速度测量值，m/s2。
需要说明的是，衡量物体的振动强度的大小通常有三个标准：位移、速度和加速度。在油气钻井过程中，由于钻柱长细比大、井身结构复杂、地层环境苛刻等因素，钻柱会产生非常复杂的非线性井下振动。钻柱振动是当前钻井工程中普遍存在的问题，剧烈的钻柱振动会加速钻具的破坏，大幅度缩减其使用寿命，是导致钻具疲劳失效的主要原因，并可能导致很大的经济损失。
选用振动速度作为衡量振动激烈程度的参量，这是因为考虑到：振动速度可以反映出振动的能量，绝大多数机械设备的结构损坏都是由于振动速度过大引起的，机器的噪声与振动速度成正比；对于同一机器的同一部分，相等的振动速度产生相同的应力；而且对于大多数的机器来说都具有相当平坦的速度频谱等。
机器的振动烈度定义为：在机器表面的重要位置上(例如：轴承的安装点等处)沿垂向、纵向、横向三个方向上所测得的振动的最大有效值。
对于振动速度为V(t)＝Vpcosωt的简谐振动，其振动速度有效值用下式计算：
式中V1rms，V2rms，Vnrms分别为第1，2，n个简谐分量。
对于旋转导向系统井下振动测量的3个加速度计测量值公式：
利用小波滤波方法去除趋势项rω2、
后，上式变为：
此时影响加表X、Y输出的主要为横向振动，此时，Xa、Ya即为横向加速度的两个分量。根据(5)式，横向振动可以根据以下公式判断：
在本实施例中，通过振动加速度的大小可以判断振动量级，即可根据钻具横向振动加速度alat的计算结果，划分振动烈度。
例如，图2为横向振动数据实测值的曲线示意图，其横坐标表示采集数组，单位为无量纲，纵坐标表示输出电压，单位为V。振动数据为旋转导向系统生产井实测值，原始数据如图2所示，可以看到振动数据中除了混叠有大量高频噪声外，还有一个不稳定的趋势项，该趋势项主要由钻柱高速旋转引起。
图3为小波滤波后的横向振动数据的曲线示意图，其横坐标表示采集数组，单位为无量纲，纵坐标表示输出电压，单位为V。利用小波变换，对横向振动数据进行滤波处理，滤波时选用的小波函数为db5小波，滤波层数选择为5层，图3所示为小波滤波去除趋势项后的结果，可以看到经处理后信号中保留了大部分的高频信号，反映了钻柱横向振动。
图4为横向振动烈度的曲线示意图，其横坐标表示采集数组，单位为无量纲，纵坐标表示横向振动烈度，单位为无量纲。振动数据经滤波处理后，利用(2)式进行振动烈度计算，如图4所示，可以看到明显的不同振动烈度的划分。
根据本发明的随钻钻具振动测量方法可以被编程为计算机程序并且相应的程序代码或指令可以被存储在计算机可读存储介质中，当程序代码或指令被处理器执行时使得处理器执行上述钻具振动测量方法，上述处理器和存储器可以被包括在计算机设备中。
根据本发明又一方面的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的钻具振动测量方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明又一方面的示例性实施例还提供了一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的钻具振动测量方法的计算机程序。
本发明再一方面提供了一种随钻钻具振动测量系统。
在本发明的再一个示例性实施例中，随钻钻具振动测量系统可包括振动监测单元、滤波处理单元和横向振动计算单元。其中，振动监测单元偏心安装在钻具上，用于获取横向振动数据和轴向振动数据。滤波处理单元与振动监测单元连接，用于对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项。横向振动计算单元与滤波处理单元连接，用于根据滤波处理后的横向振动数据计算钻具横向振动加速度alat。
在本发明的随钻钻具振动测量系统的一个示例性实施例中，振动监测单元可由三轴正交的MEMS加速度传感器和采集传输电路构成。例如，图5示出了振动监测单元的安装方式，其中C为钻柱中心，振动监测单元1处于偏心安装，偏心距为r。Xa和Ya分别为沿着钻柱径向和切向加速度测量值，Za为轴向加速度计测量值。三轴正交加速度计敏感输出钻柱轴向、径向和切向加速度。
在本发明的随钻钻具振动测量系统的一个示例性实施例中，测量系统还可包括横向振动烈度划分单元，横向振动烈度划分单元与横向振动计算单元连接，用于根据钻具横向振动加速度alat的计算结果，划分振动烈度，并绘制横向振动烈度曲线。
综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明创新性提出了利用小波变换分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项，既实现了非平稳干扰信号的有效去除，也避免了变换过程中出现损失掉时间信息，可以达到做好的数据处理效果，其获得钻具横向振动参数具有真实性、有效性和准确性；
(2)本发明能够准确测量钻具横向振动参数，从而实现对井下钻柱振动状态的实时监测，辅助工程技术人员实现钻井施工安全进行。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (10)
1.一种随钻钻具振动测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
利用振动监测单元进行井下钻具振动测量，获取横向振动数据和轴向振动数据；
利用小波变换对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项，所述低频趋势项包括径向加速度分量rω2表现出的趋势项和切向加速度分量
表现出的趋势项；
将沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya分别确定为横向加速度的两个正交分量axc和ayc；
根据沿着钻柱径向加速度测量值Xa和沿着钻柱切向加速度测量值Ya，确定钻具横向振动加速度alat。
2.根据权利要求1所述的随钻钻具振动测量方法，其特征在于，滤波处理时，选用db5小波作为基函数。
3.根据权利要求1所述的随钻钻具振动测量方法，其特征在于，所述钻具横向振动加速度alat的计算式如下所示：
式中，alat为钻具横向振动加速度，g(9.8m/s2)；Xa为沿着钻柱径向加速度测量值，m/s2；Ya为沿着钻柱切向加速度测量值，m/s2。
4.根据权利要求1所述的随钻钻具振动测量方法，其特征在于，根据钻具横向振动加速度alat的计算结果，划分振动烈度。
5.根据权利要求1所述的随钻钻具振动测量方法，其特征在于，三轴加速度测量值的物理表达式如下所示：
式中，Xa为沿着钻柱径向加速度测量值，m/s2；Ya为沿着钻柱切向加速度测量值，m/s2；r为偏心距，m；ω为钻柱井下转速，rpm；Za为沿着钻柱轴向加速度测量值，m/s2；axc和ayc为横向加速度的两个正交分量，m/s2；azc为轴向加速度，m/s2。
6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1～5中任意一项所述的钻具振动测量方法。
7.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1～5中任意一项所述的钻具振动测量方法。
8.一种随钻钻具振动测量系统，其特征在于，所述测量系统包括振动监测单元、滤波处理单元和横向振动计算单元，其中，
所述振动监测单元偏心安装在钻具上，用于获取横向振动数据和轴向振动数据；
所述滤波处理单元与所述振动监测单元连接，用于对横向振动数据进行滤波处理，以分离并去除由于钻柱旋转引入的低频趋势项；
所述横向振动计算单元与所述滤波处理单元连接，用于根据滤波处理后的横向振动数据计算钻具横向振动加速度alat。
9.根据权利要求8所述的随钻钻具振动测量系统，其特征在于，所述振动监测单元由三轴正交的MEMS加速度传感器和采集传输电路构成。
10.根据权利要求8所述的随钻钻具振动测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括横向振动烈度划分单元，所述横向振动烈度划分单元与所述横向振动计算单元连接，用于根据钻具横向振动加速度alat的计算结果，划分振动烈度，并绘制横向振动烈度曲线。
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