本發(fā)明涉及油氣田開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種監(jiān)測鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的方法。

背景技術(shù)：

鉆井工程是石油天然氣勘探開發(fā)的重要手段，而鉆柱是井下工作的重要工具，是井底鉆頭與地面鉆井設(shè)備的主要紐帶。鉆柱在鉆井的過程中，由于石油鉆井的工作環(huán)境非常復(fù)雜，鉆柱與井壁、鉆井液和底層及鉆頭之間相互作用產(chǎn)生摩擦引起鉆柱的振動，這被認(rèn)為是一些問題的主要來源，例如過度磨損，過早的刀具故障以及較差的鉆孔速率等一系列問題，大大降低作業(yè)效率，增加其成本。

在鉆井過程中，鉆柱的主要運(yùn)動是向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并伴隨著橫向振動、縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動等多種振動。橫向振動是由于地層原因或者井眼軌跡原因?qū)е裸@頭吃入不足，從而造成鉆柱不沿著井眼中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大的離心力，使鉆柱與周邊巖壁產(chǎn)生碰撞，嚴(yán)重影響了鉆井效率。軸向振動是由于井底鉆頭軸向跳動而與地面脫離接觸而產(chǎn)生的。而扭轉(zhuǎn)振動是由于鉆頭在鉆進(jìn)瞬間的轉(zhuǎn)矩能量不夠滿足破巖轉(zhuǎn)矩時(shí)，鉆頭將處于停鉆狀態(tài)，井底鉆具慣量在頂驅(qū)的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)井底鉆具慣量扭轉(zhuǎn)積累的能量足以破碎巖層時(shí)，積累的能量瞬間釋放，此時(shí)鉆頭將于數(shù)倍頂驅(qū)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這對井下鉆具組合產(chǎn)生了巨大的破壞作用，而當(dāng)下對于扭轉(zhuǎn)振動的監(jiān)測技術(shù)還不是很成熟。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種監(jiān)測鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的方法。

一種監(jiān)測鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的方法，包括以下步驟：

步驟1：基于鉆具組合參數(shù)、鉆柱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)計(jì)算得到鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量、鉆柱的特性阻抗；

步驟2：根據(jù)所述鉆柱的特性阻抗以及井底鉆具慣量建立關(guān)于粘滑頻率的相關(guān)函數(shù)，計(jì)算得到鉆柱的理論粘滑頻率；

步驟3：根據(jù)所述鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量、鉆柱的特性阻抗及理論粘滑頻率，結(jié)合帶通的濾波轉(zhuǎn)矩計(jì)算出鉆頭的動態(tài)角速度；

步驟4：根據(jù)所述的鉆頭的動態(tài)角速度經(jīng)過低通濾波，然后再進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得到鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度指數(shù)。

進(jìn)一步地，如上所述的方法，步驟1中，所述鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量為：

上式中，c為總的鉆柱扭轉(zhuǎn)柔量，lj為第j節(jié)的鉆柱長度，ip,j為第j節(jié)的鉆柱橫截面極矩，g為鉆柱的剪切彈性模量；

所述鉆柱的特性阻抗為：

上式中，ip為鉆柱的橫截面極矩，ρ為鉆柱密度，g為鉆柱的剪切彈性模量。

進(jìn)一步地，如上所述的方法，步驟2中，所述鉆柱的理論粘滑頻率為：

上式中，jb為井底鉆具慣量，l為鉆桿長度，c為鉆柱的扭轉(zhuǎn)波傳播速度。

進(jìn)一步地，如上所述的方法，步驟3中，所述鉆頭的動態(tài)角速度為：

上式中，tbp為帶通濾波轉(zhuǎn)矩，l為鉆桿長度，rd為頂驅(qū)的反射系數(shù)，k為鉆柱的波數(shù)；

上式中，ω為鉆柱角頻率。

進(jìn)一步地，如上所述的方法，步驟(4)中，所述鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度指數(shù)

上式中，lp()為低通濾波，ωset為設(shè)定的電機(jī)驅(qū)動角速度。

有益效果：

本發(fā)明提供的鉆柱扭轉(zhuǎn)振動監(jiān)測方法，是根據(jù)鉆桿相關(guān)參數(shù)、鉆頭動態(tài)角速度、粘滑頻率等相關(guān)性質(zhì)參數(shù)，計(jì)算出粘滑振動強(qiáng)度指數(shù)，最終通過粘滑振動強(qiáng)度指數(shù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確判斷井下扭轉(zhuǎn)振動情況，從而提高了鉆井效率。本發(fā)明通過計(jì)算粘滑振動強(qiáng)度指數(shù)能夠量化鉆頭速度變化并估計(jì)即時(shí)鉆頭速度而不使用井下測量。而且本發(fā)明方法較為簡單而準(zhǔn)確地能夠?yàn)榫抡駝忧闆r進(jìn)行量化評價(jià)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明監(jiān)測鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明監(jiān)測鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的方法流程示意圖，如圖1所示，該方法包括步驟：

s101：基于鉆具組合參數(shù)、鉆柱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)計(jì)算得到鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量、鉆柱的特性阻抗；

s102：根據(jù)所述鉆柱的特性阻抗以及井底鉆具慣量建立關(guān)于粘滑頻率的相關(guān)函數(shù)，計(jì)算得到鉆柱的理論粘滑頻率；

s103：根據(jù)所述鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量、鉆柱的特性阻抗及理論粘滑頻率，結(jié)合帶通的濾波轉(zhuǎn)矩計(jì)算出鉆頭的動態(tài)角速度；

s104：根據(jù)所述的鉆頭的動態(tài)角速度經(jīng)過低通濾波，然后再進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得到鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度指數(shù)。

在步驟s101中，所述鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量為：

在公式(1)中，c為總的鉆柱扭轉(zhuǎn)柔量，lj為第j節(jié)的鉆柱長度，ip,j為第j節(jié)的鉆柱橫截面極矩，g為鉆柱的剪切彈性模量；

所述鉆柱的特性阻抗為：

在公式(2)中，ip為鉆柱的橫截面極矩，ρ為鉆柱密度，g為鉆柱的剪切彈性模量。

本發(fā)明實(shí)施例中，鉆柱的扭轉(zhuǎn)柔量考慮了鉆柱的剪切彈性模量、鉆柱橫截面極矩以及鉆柱長度。鉆柱的特性阻抗考慮了鉆柱橫截面極矩、鉆柱密度及鉆柱的剪切彈性模量等參數(shù)，通過這些參數(shù)可以提高最終計(jì)算得到鉆柱扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度指數(shù)的準(zhǔn)確度。

在步驟s102中，所述鉆柱的理論粘滑頻率為：

在公式(3)中，jb為井底鉆具慣量，l為鉆桿長度，c為鉆柱的扭轉(zhuǎn)波傳播速度，ω為鉆柱的粘滑角頻率。其中鉆柱的波傳播速度：

鉆柱速度振幅為：

適用于plc實(shí)現(xiàn)的時(shí)域形式的鉆頭動態(tài)角速度為：

公式(6)為公式(5)在plc應(yīng)用中的時(shí)域形式，在公式(5)(6)中，tbp為帶通濾波轉(zhuǎn)矩，rd為頂驅(qū)的反射系數(shù)，c為鉆桿扭轉(zhuǎn)柔度，k為鉆柱的波數(shù)，l為鉆桿長度，i為復(fù)數(shù)的虛部,ts為鉆柱頂部振幅的復(fù)合轉(zhuǎn)矩，ω為鉆柱角頻率；

由于粘滑運(yùn)動由基本粘滑頻率支配，所以可以僅基于該基本粘滑頻率實(shí)現(xiàn)相當(dāng)好的估計(jì)。公式(6)是公式(5)在plc應(yīng)用中的時(shí)域形式，其采用時(shí)間微分的積分近似法，省略了通常比第一項(xiàng)小得多的第二項(xiàng)，它是基于一個(gè)單一的部分鉆柱，模擬已經(jīng)表明，它也提供了對多部分鉆柱的良好的估計(jì)。

所述粘滑扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度指數(shù)為：

在公式(8)中，lp()為低通濾波，ωset為設(shè)定的電機(jī)驅(qū)動角速度。

本發(fā)明實(shí)施例中，計(jì)算出了實(shí)時(shí)鉆頭角速度，再通過與設(shè)定鉆速的函數(shù)關(guān)系，最終計(jì)算得出鉆柱扭轉(zhuǎn)振動的強(qiáng)度指數(shù)。

本發(fā)明各上述實(shí)施例中，相同的符號表示為相同的物理意義。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測井下鉆具產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度的方法，通過對井下鉆具扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)度的量化判別，提高了鉆井過程中的鉆井效率，并且對鉆具的保護(hù)起到很大作用。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。