钻头振动信号传播试验及应用研究

顾洪成，梁明月

(中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司，山东 东营 257055)

为减少海上油气的勘探开发成本，丛式井在海上油田钻井中的应用越来越广泛。但由于海上平台面积有限，导致丛式井井口比较密集，有时仅仅相隔数米(如大密集丛式井)，使得丛式井钻井过程中很容易发生井眼碰撞事故[1～3]。为最大限度地减少或杜绝井眼碰撞事故的发生，克服目前常用的防碰扫描方法的弊端，刘刚等[4,5]提出了一种丛式井防碰技术，即通过安装在地面套管头处的传感器采集由钻头破岩产生的振动信号，对振动信号进行分析和处理，得到钻头距邻井套管的距离与振动波特征之间的关系，从而实时监测钻头在钻进过程中是否靠近邻井套管。该技术的核心就是对套管上的钻头振动信号进行采集、分析和处理，得到邻井与钻头的趋近程度等相关的信息，从而为井眼的防碰工作提供理论依据，降低钻井过程中发生井眼碰撞的风险。

国内外对于钻具振动检测及随钻地震研究的较多。国外从20世纪60年代就开展了钻具振动方面的研究，至今已有50多年的历史。法国的Lutz[6]在20世纪70年代开发了一个称为瞬态录井(snap log)的产品。1984年，ARCO公司技术人员研发了“钻进动态控制装置”[7]，为优化钻井设计做出了重要的贡献。80～90年代，Drumheller等[8，9]对声波在钻柱振动中的传播规律做了大量卓有成效的研究。90年代石油大学高岩等[10]在钻柱振动检测与分析、钻柱振动声波录井技术方面开展了初步的研究，建立了钻柱振动信号采集系统。高岩等[11]、赵国山[12]、谢慧[13]分别在钻柱振动采集系统、牙轮钻头的振动特性、钻具振动等方面进行了研究。但是相关研究都没有涉及到振动波在井筒及地层不同介质中的传播规律。

笔者通过振动波传播规律的室内试验研究，得到了不同条件下振动波在模拟井筒中的传播规律以及在模拟井筒间的衰减规律(井筒间存在不同的介质，如黏土、砂岩、花岗岩等)，从而为基于振动波传播规律的丛式井防碰技术的研究奠定了理论基础，并进行了现场应用，结果表明井间中心距较小时，时域信号的相对幅值的增大与井间距的减小存在明确的对应关系，对丛式井防碰有明确的指导意义。

1 室内试验设计

试验材料主要为模拟井筒、试验岩样和水泥等，其中模拟井筒如图1所示。试验井筒尺寸：①直径分别为50、30、25mm，壁厚5mm，接头数量4个，模拟井筒长度25m；②直径25mm，壁厚5mm，接头数量8个，模拟井筒长度25m；③直径25mm，壁厚5mm，接头数量1个，模拟井筒长10m。试验岩样和水泥尺寸：①模拟水泥池长度10m；②模拟砂岩体长度2.5m；③模拟花岗岩体长度2.5m。试验装置如图2所示，有1个装有传感器和配有4种材料锤头的力锤；加速度传感器若干、电缆若干；沙子、沙袋、水泥槽、花岗岩、砂岩、水泥等；数据采集仪、笔记本电脑等。

图1 试验中使用的模拟井筒(镀锌钢管) 图2 试验装置示意图

2 振动信号在不同材料中的传播及衰减研究

2.1 振动信号在钢材中的传播及衰减

利用25m长，外径为50mm的模拟井筒进行试验，试验时将钢管支撑起来，使其离开地面，用力锤敲击钢管一端管壁产生激励信号，在钢管的两端安装加速度传感器采集振动信号。

2.1.1在钢材中的传播速度

试验中无噪声干扰，可以直接读取信号到达传感器处的时刻t1和t2，然后计算振动波在模拟井筒中的传播速度：

V=L/(t1-t2)

(1)

式中：V为声波传播速度，m/s；L为钢材长度，m；t1、t2为信号到达传感器的时间，s。

表1即为试验中读取的时差和计算得到的波速。由表1可见，试验中得到的振动波在钢管中的传播速度为5003m/s。

取钢的弹性模量为206GPa，密度为7850kg/m3，不考虑频散的影响，可用：

(2)

式中：E为钢的弹性模量，GPa；ρ为钢的密度，kg/m3。求得钢管中的理论纵波速度为5123m/s，两者误差在2.4%左右。

表1 振动波在钢管中的传播速度测量结果

2.1.2在钢材中的衰减规律

试验中利用力锤敲击钢管产生的信号作为振动信号，由于每次用力锤敲击的力度都不一样，故可采用相对幅度的方法来消除敲击力度不同对衰减的影响。

拟采用3组数据分别求得衰减系数，最后求得其平均值。分别在敲击点附近和距敲击点10、25m处安装传感器，试验所得数据如表2所示。

表2 波形的振幅峰值和相对幅度

2.2 振动信号在水泥石中的传播及衰减

2.2.1在水泥石中的传播速度

图3 水泥石上试验装置图

用力锤在水泥石上的某点敲击，在距该点2.5、5.0、7.5、10m处安装传感器，如图3所示，读取各传感器采集到的振动波的到达时刻，计算其时差，然后通过公式(1)求得振动波在水泥石中的传播速度，结果见表3。振动信号在水泥中传播的平均速度为1289m/s。

2.2.2在水泥石中的衰减规律

用力锤在水泥石上的某点敲击时，在距该点2.5、5.0、7.5、10m处所安装传感器，接收到的振动波的衰减如表4所示，随着振动波在水泥石中传播距离的增加，振动波幅值在衰减。

表3 振动波在水泥中传播的速度分析

表4 振动信号在水泥石中的衰减

图4 花岗岩及砂岩上试验装置图

2.3 振动信号在花岗岩及砂岩中的传播及衰减

试验中模拟井筒间的介质换为花岗岩、砂岩，各钢管及传感器布局如图4所示。试验过程中利用钢头敲击1号管，所采集到的各通道的振动波如图5所示。

其中0～3号通道分别对应1～4号管上的传感器采集到的振动波。可以读取1～3号通道相对于0号通道的首波时差，并得到波在花岗岩和砂岩中传播的时差及0～3号管与敲击管的距离。求取各管振动波相对于敲击管的时差平均值，评价各管采集到的信号时差相对于平均值的偏离程度，花岗岩和砂岩的处理结果分别如表5所示。

图5 试验波形

振动波在花岗岩中的时差与井筒间距的关系如下：

Δt=0.0005ΔL+0.00003

(3)

式中：Δt为时差，s；ΔL为时差所对应的管距，m。

式(3)的斜率为0.0005，而花岗岩中的波速是斜率的倒数，即该试验条件下中波在花岗岩中的传播速度为2000m/s。同理可得，波在砂岩中的波速为1250m/s。

不同锤头材料、不同传播距离下振动波在花岗岩、砂岩中的衰减规律，如图6、图7所示。

表5 振动波在花岗岩、砂岩中时差分析

图6 不同锤头、不同传播距离下振动波在花岗岩中的衰减 图7 不同锤头敲击时振动波在砂岩中的衰减

可以得出：①在所采用的试验条件下，振动波在砂岩中的波速为1250m/s，在花岗岩中的波速为2000m/s。②无论是砂岩还是花岗岩，当振动波在其中传播时，它的时差-距离为线性关系，即波速不变；同时也说明，等长度试验钢管的存在对振动波在岩石中的传播速度没有影响。③在已知套管长度相等的条件下(钻头钻至某一地层，且套管深度变化不大时)，风险邻井井深相同，就可以通过时差求得风险井距正钻井的距离。④振动波在砂岩中的衰减高于在花岗岩中的衰减。⑤随着振动波在花岗岩、砂岩传播距离的增加，振动波幅值会衰减，衰减趋势基本呈指数形式。⑥不同的锤头敲击产生的振动波在花岗岩、砂岩的衰减程度是不同的，衰减规律为钢头>铝头>塑料头，激发频率越高衰减越快。

3 影响因素分析

3.1 频率的影响

试验模拟钻头分别为不锈钢力锤、橡胶力锤和塑料力锤，各自产生不同频率的激励信号，计算平均传播速度和平均衰减率，结果如表6所示。由试验结果可以看出，模拟钻头振动产生的信号随钻头的类型、钻压、转速等因素的变化而变化；震源频率越高，衰减越严重；传播速度不受震源频率大小影响。

表6 不同钻头类型(不同频率)信号特征参数计算结果

表7 不同筒口直径信号特征参数计算结果

3.2 管径的影响

试验中采用了管径分别为25、30、50mm且壁厚均为5mm的钢管进行试验，安装4个传感器，第1个测点在敲击点附近，其余3个测点分别距敲击点10、18、25m，采集并计算不同管径、不同位置处的振动波振幅大小。通过幅度的对比分析，得到外径对振动波速度及衰减的影响规律。由试验结果(表7)可知，振动波在介质中的传播速度基本不变；井筒外径越大，自由井筒中振动波的瞬时峰值的衰减越小。

3.3 接头数目的影响

模拟井筒分别安装4接头和8接头(井筒的长度为25m，外径为25mm)，接头长度为3.5cm，与管体本身通过螺纹连接，分别安装了2个传感器，一个位于敲击点处，一个位于距敲击点25m处，试验结果见表8。接头的存在会使振动波的衰减程度增加，接头越多，振动波的衰减越大。

4 现场应用

图8 A-6井防碰监测风险井示意图

现场试验在海上某平台进行，井口如图8所示，共布井15口，井间距为1.6m×1.8m。其中定向井14口，水平井1口。井斜超过50°的井有5口，超过45°的井有4口，其中有8口井为表层预定向，造斜点最高85m，最低522m。

自2014年4月25日0:33至07:27(一开)、2014年4月26日21:52至2014年4月27日04:52(二开)，对A-6井进行了防碰实时监测。根据定向井井身轨迹设计资料，利用Compass扫描可以确定风险井为A-4、A-9、A-11、A-12，防碰井段为80～220m。其中A-4井与A-9井在整个防碰井段风险都比较大，因此对其进行重点监测与分析。

4.1 一开

在钻至120m井段时，发现所检测风险井振动信号幅值开始增大，A-4井、A-9井信号特征更为明显，且有持续增大趋势，如图9所示。从上往下依次是A-4井、A-12井、A-11井、A-9井套管头振动信号，其中A-4井信号峰值较A-9井大，这说明A-6井钻头正在接近A-4井，有碰撞趋势，系统此时发出预警指令。

图9 A-6井防碰监测信号

经MWD测斜得出数据，运用Compass扫描(图10)，可知钻至120m井段时A-4井与A-6井中心距在1.5m左右，与A-9井中心距1.8m左右，可以证实A-6井已经在靠近A-4井。

经数据处理分析可知当两井中心距变小时，A-4井振动信号幅值会逐渐增大(图11)。A-4井与A-6井的幅值比也会逐渐增大(图12)，在最小中心距0.79m时幅值比达到最大值0.93。当两井中心距变大时，A-4井振动信号幅值和幅值比均会逐渐减小。

图10 A-6井实测扫描图

图11 A-4井与A-6井振动幅值随井深变化关系 图12 A-4井与A-6井幅值比与中心距的关系

另一口风险井A-9井也是监测的重点，但是从其信号特征上可知其幅值逐渐降低，如图13、14所示，可反映出正钻井A-6井正逐渐远离风险井，其幅值比也是成下降趋势，并无明显的陡增特征。因此与A-9井碰撞的风险越来越小。

图13 A-9井与A-6井振动幅值随井深变化关系 图14 A-9井与A-6井幅值比与中心距的关系

4.2 二开钻塞

2014年2月26日在21：54时，412m处，采集灵敏度为0.01，磨水泥塞。其信号特征如图15所示，从上往下依次为A-1井、A-4井、A-6井、A-9井信号曲线，A-6井峰值均在2以上，其他3口井峰值在0.1～1.0之间。

图15 钻塞中的振动波形

图16 A-4井峰值图

4.3 二开钻头远离风险井

钻开水泥塞之后开始定向，A-6井逐渐远离风险井，风险井振动幅值逐渐变小。如图16所示，A-4井在A-6井井深412m后，振幅呈逐渐减小趋势。

5 结论

1)振动波在钢中的传播速度为5003m/s；振动波在花岗岩中的传播速度为2000m/s；振动波在水泥石中的传播速度为1289m/s；振动波在砂岩中的传播速度为1250m/s。说明在所采用的模拟套管柱条件下，振动波的传播速度符合密度越大，速度越高的规律。

2)振动波在钢、花岗岩、水泥石、砂岩中传播时的衰减率依次提高，说明材料强度越低，胶结质量越差，对振动的吸收越强。

3)震源频率越高，衰减越严重，传播速度不受震源频率大小影响；随管径增大瞬时峰值衰减减小，传播速度基本不随管径改变；接头越多，衰减越严重。

4)通过现场应用，分析了钻头距邻井套管不同距离处时振动波的强度特征，得到了钻头距邻井距离与振动波幅值之间的关系。井间中心距较小时，时域信号的相对幅值的增大与井间距的减小存在明确的对应关系，对丛式井防碰有明确的指导意义。

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