geoNEXT录井系统中钻具振动监测软件在现场的应用分析

一、钻具振动形成原因

在钻井过程中, 钻具与井壁, 钻头与地层, 钻具与钻头之间作用是非常复杂的, 与在地层中通过旋转和上下三维运动, 易形成钻具振动。钻具振动形成主要分为钻井工程技术方面的原因和地质方面的原因。

钻井工程技术方面的原因:

钻井设备状态, 如:钻机稳定性差, 回转器轴承有间隙等;动力机功率不足, 超载荷时工作不稳定;往复式水泵送水量和压力不均, 泥浆产生脉动。平台桩腿地基的强度不够以及钻机在基础上安装固定不牢。井眼结构设计不合理, 钻杆, 岩心管的直径与孔径配合不合理。粗径钻具没带稳定接头;使用弯曲的钻杆和岩心管。使用钝的或非正常磨损的钻头 (金刚石碎裂, 唇部偏磨, 钻头椭圆形磨损等) ;钻进参数的选择与所钻岩石的性质不适应。盲目的加钻压和加大转速;钻杆锁接头不同心。钻杆由于制造方面的原因或使用过程中不均匀磨损 (特别是在定向井眼中使用) , 造成壁厚不均和椭圆度, 引起钻杆不同心, 回转不平衡;主动钻杆弯曲, 超长, 在立轴中偏心;井眼发生弯曲。

地质方面的原因:主要由于地层中不均质引起, 岩层破碎, 裂隙发育。岩层软硬变化频繁。岩层层理, 片理发育并与井眼轴线形成锐角;溶洞, 空穴发育。岩层的颗粒度不均匀, 具有非均质结构;岩石的硬度和强度不均。

根据钻具振动形成原因钻具振动的类型主要分为四种如 (图1) :纵向振动 (Axial) 、侧向振动 (Torsional) 、横向振动 (Lateral) 、和偏心振动 (Eccentered) 。反映到地面表现为:钻头跳动、粘卡、侧面弯曲、回旋。

二、如何消除钻具振动

geo NEXT智能录井系统具有钻具振动监测软件, 他是以傅里叶分析 (基波和谐波理论) 为基础, 把一段时间的正常扭矩和钻压变化值作为基值, 设定异常扭矩和钻压变化值的上下限, 在实时钻进过程中, 如出现超出上下限的异常变化量, 系统会发出警报, 录井工程师分析数据后报告给作业负责人, 通过改变钻井参数来减少钻具振动。

geo NEXT系统首先对数据源进行了高频率处理, 大钩高度、悬重、转盘转速以及扭矩都采用高频率采集模式, 频率可达100Hz, 这样就能保证录井系统可以监测参数满足用来以计算判断钻具振动。

在实际作业中, 监测横向和纵向上根据振动能量和振动频率两个参数系统根据内部公式进行计算得到一个综合参数, 通常称为横向振动能量值或者纵向振动能量值, 依据该参数将钻具振动正常情况下作为基值, 基值的20%内变化为正常情况, 警报分为三个级别, 根据超过基值的百分数来评定警报级别, 分别为20%, 30%和40%。在实时的钻具振动监测图中, 如正常是绿色显示, 出现异常振动会以橙色、红色显示, 在超过40%时会以紫色显示。

在钻进过程中实时监测钻具振动情况, 如果发生钻具振动首先判断是横向振动还是纵向振动然后向作业者提出合理建议, 通过改变钻井参数例如钻压或者转数来减少钻具振动, 从而达到最佳钻井状态, 避免出现钻井事故。

三、案例分析

目前该系统已经在中国海油各个海域得到普遍推广。在录井作业中, 工程师实时关注钻具振动监测界面, 一旦发现异常情况, 立刻通知司钻和钻井监督, 并提出合理化建议, 准确地指导了钻井作业的顺利进行。

图2所示, 在B1井12-1/4"井段钻进过程中, 深度3500.00米至3560.00米, 钻进期间监测到异常钻具振动。geo NEXT工程师及时把监测到异常振动这一情况通知钻井相关负责人。现场调整顶驱转速由100rpm增至120rpm后恢复正常。判断振动的出现是由于钻井参数搭配不合理造成的, 避免钻具磨损。

图3所示, C1从4520.00米至4570.00米的钻进过程中发现了异常的钻杆振动现象, geo NEXT工程师及时通知了地质和钻井相关负责人, 并建议尝试不同钻井参数来降低钻具振动。在降低钻压后大大降低了钻具振动, 钻速也明显加快了。

结语

从实际应用中可以看出, 钻井振动监测软件能够有效地对钻具振动现象进行监测, 为作业者提高钻井效率、减少工程事故发生率, 有极大的参考价值。实时警报监测、分析振动的变化对调整钻井参数 (钻压、顶驱转速、泵排量等) , 提高钻井效率有很大的帮助。

在实际的现场应用过程中, 孤立的使用钻井振动分析这个录井新软件工具并不能达到最好的效果, 应该综合其他现场资料, 通过有经验的工程师鉴别出其变化趋势所代表的钻井实时情况, 给作业者提出建设性的参考意见以提高钻井效率、做出提前预判, 减少工程事故, 节约成本。

摘要：随着国内深井、超深井等复杂井的大量钻探, 钻进过程中易发生钻具振动, 钻具振动轻则耽误钻井时效, 重则导致钻具磨损等的工程事故。如何能够识别钻具振动和避免钻具振动成为作业者的焦点。本文介绍一种新型智能综合录井系统geoNEXT, 该系统具有钻具振动监测软件 (Vibration application) 功能, 可监测在钻进过程中的钻具振动情况, 为钻具振动做好监测, 避免了事故的发生, 节约钻探成本。通过该系统应用, 及时识别出钻具振动情况, 提出合理化建议, 避免了钻具振动扩大化, 为安全钻井提供保证。

关键词：钻具振动,横向振动,纵向振动,最佳钻井参数

参考文献

[1] D.Pavone and J.P.Desplans:Application of High SamplingRate Downhole Measurements for Analysis and Cure of Stick-Slip inDrilling-SPE/ATCE-paper 28324, New Orleans, 25-28 Septem-ber 1994.

[2] I.Rey-Fabret, C.Mabile and N.Oudin:Detecting whirlingbehaviour of the drill string from surface measurements-SPE/AT-CE-paper 38587, San-Antonio 5-8October 1997.