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钻头振动在石油工程中的应用

中国石油和化工标准与质量 2012年第8期32卷 153-153页

作者：刘刚杨全枝中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266555

钻头在破岩过程中不可避免的产生振动,钻头振动常常被认为是有害的,随着振动检测和信息处理技术的发展,人们对钻头振动现象不断关注、了解,使钻头振动在石油工程中的应用越来越多。本文主要总结了钻头振动在油气田勘探、地质录井,储层... 详细信息

钻头在破岩过程中不可避免的产生振动,钻头振动常常被认为是有害的,随着振动检测和信息处理技术的发展,人们对钻头振动现象不断关注、了解,使钻头振动在石油工程中的应用越来越多。本文主要总结了钻头振动在油气田勘探、地质录井,储层裂缝检测、海上丛式井防碰监测等方面的应用。

关键词：钻头振动石油工程应用

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钻头趋近套管时的振动特征识别实验研究

钻头趋近套管时的振动特征识别实验研究

作者：张家林中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

大型丛式井和加密调整井在我国海上油气资源的勘探开发中正得到广泛应用,使得浅层井眼轨迹愈发密集,增加了钻井作业时钻头碰撞邻井套管的风险,因此迫切需要对实钻过程进行有效的防碰监测预警。钻头在破碎钻进对象的过程中会诱发一系列振... 详细信息

大型丛式井和加密调整井在我国海上油气资源的勘探开发中正得到广泛应用,使得浅层井眼轨迹愈发密集,增加了钻井作业时钻头碰撞邻井套管的风险,因此迫切需要对实钻过程进行有效的防碰监测预警。钻头在破碎钻进对象的过程中会诱发一系列振动,研究钻进不同对象时振动信号的特征提取方法,进而建立钻头趋近套管过程中钻进不同材料(地层岩石、水泥环、套管)的识别方法,对于钻头碰撞和刮擦邻井套管的实时预警具有重要意义。本文调研了国内外利用振动信号监测钻井工况的研究现状,总结了钻头破岩钻进过程中的动力学特性和钻头振动波的产生、传播机理。结合工程实际,构建了由岩石—水泥环—套管组成的模拟井筒模型,并以此为基础,利用XY-200Y型钻机开展了钻头趋近套管的室内钻进实验,通过正交匹配钻压、转速、钻进对象三类变量,采集到多种钻进工况的振动信号样本。将时域和频域分析、小波分析、Hilbert-Huang变换应用于振动信号的特征分析,从中优选出能够反映钻进工况的特征参数,构建得到各工况信号的特征向量,最终利用SVM实现了各钻进工况的识别分类。研究结果表明,基于广义阈值的小波变换对原振动信号进行降噪处理,能够基本滤除白噪声和共振噪声等干扰项。以EMD分解为基础,从时域和频域特征出发,利用信号前6阶IMF各自的偏差S、有效值D、峭度K为时域特征参数,以及其能量E、归一化能量G、特征频段、重心频率f和重心幅值a为频域特征参数,能够构建得到各钻进工况的特征向量。基于构建的特征向量,SVM对钻头趋近套过程中不同工况的识别结果能够满足工程要求,其中SVM对六种钻压转速的总体识别率达到96.1%,对同岩性的黄(色)砂岩和红(色)砂岩识别率分别为82.2%和86.7%,对较高硬度的灰岩和泥岩识别率均在95%左右,对侧面和正面趋近套管过程中的各工况识别率均超过90%,对特征差异显著的正面钻进套管工况的识别率达到了100%。相关研究结果能够为钻井过程中的防碰监测预警提供有效技术支持。

关键词：防碰监测钻头振动振动特征提取 Hilbert-Huang变换支持向量机工况识别

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钻头破岩振动低频特征室内实验研究

探矿工程（岩土钻掘工程） 2014年第10期41卷 1-4页

作者：杨全枝张晓斌于小龙张文哲雷茹陕西延长石油〈集团〉有限责任公司研究院陕西西安710075 长庆油田采油三厂宁夏银川750006

钻头破碎岩石时会产生宽频的振动信号,不同频段的信号蕴含了不同的信息,由于高频段信号能量低、衰减大,不易检测,因此,就钻头破岩信号在低频段特征进行了研究,通过不同岩性岩样的微钻实验数据分析,发现破碎不同岩性的岩石产生的信号在... 详细信息

钻头破碎岩石时会产生宽频的振动信号,不同频段的信号蕴含了不同的信息,由于高频段信号能量低、衰减大,不易检测,因此,就钻头破岩信号在低频段特征进行了研究,通过不同岩性岩样的微钻实验数据分析,发现破碎不同岩性的岩石产生的信号在低频段具有固定的频率特征。

关键词：钻头破岩钻头振动信号检测频率特征

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万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究

天然气工业 2024年第1期44卷 49-57页

作者：祝效华李柯李文哲贺明敏佘朝毅谭宾西南石油大学中国石油西南油气田公司中国石油川庆钻探工程有限公司

油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺... 详细信息

油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺寸钻具使用寿命远低于预期。为此,在对比研究了深地川科1井(以下简称SDCK-1井)和毗邻8000 m超深井上部井段钻柱振动问题基础上,基于全井钻柱系统动力学模型和数值仿真方法,针对性研究了大尺寸井眼中的钻柱动力学特性。研究结果表明:①井眼尺寸越大,钻头和下部钻具的振动越剧烈,SDCK-1井二开大尺寸井眼与邻井中等尺寸井眼相比(井深500 m处),其钻头及下部钻具振动强度均值分别增加了48.0%和41.5%,比SDCK-1井三开中等尺寸3000 m井深的钻头及下部钻具振动强度均值分别高了29.0%和2.9%;②相同井眼尺寸和岩石特性情况下,下部钻具组合比钻柱整体长度对钻头振动的影响更大,优化下部钻具组合能够明显改善钻头振动,保护钻头,同时还可以提高钻头破岩能量利用效率实现钻井提速;③在大尺寸井眼中钻头破岩激励向上传播,横向振动衰减慢于轴向振动衰减,大尺寸钻头扭矩更大且钻压和扭矩波动更加明显,因此从保护下部钻具的角度出发,大尺寸井眼钻具组合对抑制横振更加有效;④大尺寸井眼中下部钻具弯矩和弯矩波动更大,现场频繁出现的钻具裂纹除受控于整体振动强度较大以外,交变弯矩是裂纹发生的重要原因。结论认为,该研究成果揭示了超深井大尺寸井眼中钻柱的动力学特性,指出了应着重控制横振和交变弯矩,该认识可以为超深井上部大尺寸井眼钻井提供技术指导。

关键词：超深井科探井 SDCK-1井大尺寸井眼钻头振动钻柱动力学钻具裂纹

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双级PDC钻头破岩效率的实验研究

双级PDC钻头破岩效率的实验研究

作者：王斌中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

本文通过数值模拟与室内台架试验结合的方法,研究了双级PDC钻头的破岩过程,仿真结果显示:双级PDC钻头井壁外岩石部分的周向应力和径向应力曲线会表现出一种开口喇叭形状特征,并且会随着井壁外岩石半径的增大而逐渐趋向原始地应力。钻进... 详细信息

本文通过数值模拟与室内台架试验结合的方法,研究了双级PDC钻头的破岩过程,仿真结果显示:双级PDC钻头井壁外岩石部分的周向应力和径向应力曲线会表现出一种开口喇叭形状特征,并且会随着井壁外岩石半径的增大而逐渐趋向原始地应力。钻进过程中,领眼钻头井壁外岩石周向应力先随着半径的增大呈现出先增大后减小趋势,而径向应力则会先随半径增大呈现出先减小后增大趋势,扩眼钻头的井壁外岩石周向应力与领眼钻头相似,而径向应力则相反,这就在井底形成了非常明显的二次应力场分布特征。说明领眼钻头改变了井底原始应力场,释放了地层应力。建立了集钻进参数自动化测采功能的钻进破岩实验系统,设计并加工扩眼钻头外径为120 mm,领眼钻头直径为84 mm,领眼-扩眼比例为0.7,两级PDC钻头布齿结构相同,切削齿直径为11 mm,后倾角为15°的实验室用双级PDC钻头,进行了双级PDC钻头与常规PDC钻头相同钻进参数条件下的四种岩石钻进对比实验,实验结果表明:双级钻头能够有效提升钻进效率,在相同钻进参数条件下,使用双级钻头最多能够提升钻速32.84%;双级钻头能够有效减小破岩扭矩,稳定钻头工作状态,同时能够减小钻头机械比能,优化钻头机械能利用率,提高钻头破岩效率;双级钻头能够有效降低钻头工作时的横向振动强度,在相同钻进参数条件下使用双级PDC钻头产生的横向加速度有效值最大可减小75.34%,更有利于保护钻头切削齿的稳定性和延长钻头使用寿命。同时对室内台架试验结果进行回归分析,结合钻压、转速、低层可钻性级值对钻头机械钻速的影响规律,总结出了在中硬地层钻探工作中适用于双级PDC钻头的经验钻速方程。

关键词：双级PDC钻头机械钻速破岩扭矩机械比能钻头振动钻速方程

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钻柱振动信号测量及处理技术研究

钻柱振动信号测量及处理技术研究

作者：宿雪中国石油大学

学位级别：硕士

石油钻井是一项高投入、高风险的地下隐蔽工程。钻井过程中,实时进行井下工矿诊断和钻前预测具有重要的意义。钻柱是连接地面和井底钻头的高效信息通道,钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,因此在钻柱顶端记录的振动信号含有岩... 详细信息

石油钻井是一项高投入、高风险的地下隐蔽工程。钻井过程中,实时进行井下工矿诊断和钻前预测具有重要的意义。钻柱是连接地面和井底钻头的高效信息通道,钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,因此在钻柱顶端记录的振动信号含有岩石、钻头、钻柱的丰富信息。钻柱振动录井技术是利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的实时录井技术。了解钻头震源特性、钻头地震波沿钻柱传播规律和钻柱振动信号处理方法是发展钻柱振动录井技术的关键。本文在国内外研究的基础上,对以上三个方面开展了研究。利用牙轮钻头破岩振动分析模型,获得了钻头震源能量特性和频谱特征;推导了弹性波沿钻柱传播方程,获得了钻柱弹性波的传播特性和规律;建立了钻柱振动的传递矩阵模型,描述了钻头震源波形、钻柱结构与钻柱顶端轴向振动的关系,并进行了室内实验验证。分析表明,传递矩阵模型是描述钻柱波传播的良好模型,为井下诊断建立了基础模型;建立了一套钻柱振动录井的测量系统,开展了现场实验数据的采集。引入了自相关域小波变换、反褶积自相关方法对实验数据进行了分析,获得了钻柱多次反射波地震图。分析表明相关域小波变换和反褶积自相关方法是分析钻柱振动的有效方法;研究表明钻头振动频谱、钻柱振动的多次波成像、井底钻头与地层的相对位移可作为钻头工况、钻柱工况和地层特性的主要参数,并尝试进行了井下诊断方法的探索。该研究主要利用了牙轮钻头钻进的钻柱轴向振动观测数据,研究结果可用于钻柱振动录井、随钻地震钻头信号的提取,对于钻柱信息通道的研究也有参考价值。

关键词：钻头振动钻柱波传播钻柱振动录井传递矩阵法钻柱多次波成像反褶积互相关

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地质勘探用金刚石钻头减振能力的分析研究

探矿工程（岩土钻掘工程） 2018年第3期45卷 87-91页

作者：汤凤林沈中华段隆臣彭莉 Чихоткин В.Ф. 中国地质大学〈武汉〉湖北武汉430074 无锡钻探工具厂有限公司江苏无锡214174

地质钻探中,钻头在轴载和扭矩作用下产生振动,钻头中产生正应力、剪切应力和位移,对钻进产生负面影响。如果形成共振,则对钻具和钻进过程产生破坏性影响。使用减振能力强的钻头胎体材料是减小钻头振动的有效方法之一。俄罗斯图拉地质勘... 详细信息

地质钻探中,钻头在轴载和扭矩作用下产生振动,钻头中产生正应力、剪切应力和位移,对钻进产生负面影响。如果形成共振,则对钻具和钻进过程产生破坏性影响。使用减振能力强的钻头胎体材料是减小钻头振动的有效方法之一。俄罗斯图拉地质勘探科学研究所对不同材料的减振能力进行了研究,认为线性尺寸为0.4 mm的BK6_M材料的减振能力比试验的其他材料好。使用粉料颗粒线性尺寸比为1.15~1.25,颗粒面积比为40∶1~48∶1的WC粉料和大颗粒莱立特硬合金粉料制成的钻头,在乌拉尔地区ГП-УС-30地质勘探队进行了生产试验,取得了很好的技术经济效果,钻头寿命提高了50%,金刚石单位消耗量降低了80%~90%。

关键词：钻头振动共振胎体材料减振能力钻进效果