套管头振动信号特征应用于油井防碰监测的可行性分析*

刘刚孔得臣孙金刘勍杨全枝

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院;2.中国石化集团上海海洋石油局钻井分公司;3.长江大学)

套管头振动信号特征应用于油井防碰监测的可行性分析*

刘刚1孔得臣2孙金1刘勍3杨全枝1

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院;2.中国石化集团上海海洋石油局钻井分公司;3.长江大学)

提出了一种井间防碰监测的新方法，即利用在风险井套管头上安装的传感器监测由套管传输到地面的钻头振动信号，分析振动波在地层和风险井套管中的传播规律，进而预测钻头是否趋近风险井套管，并评估钻头距风险井套管间的相对距离。分析结果表明:在钻井钻头振动诱发的风险井套管头振动信号存在一个特征频率段，在钻井钻头破岩诱发的风险井套管头振动信号特征与在钻井钻头距风险井套管间的距离有明确的对应关系，因此利用风险井套管头振动信号预测在钻井钻头趋近的方法对加密调整井进行防碰监测，这在技术思路上是可行的。

套管头振动信号井间距离防碰监测可行性分析

1 问题的提出

受海上平台建造、钻完井成本、配套设施投入、地质不确定性等因素影响，海上钻井井位布置和施工受到平台面积的严格限制。随着国内部分海上油田开采进入中后期，加密调整井需求不断提高和扩大，平台井筒密度越来越大，部分调整井设计不得不面临分离系数小于1的状况，有些平台的井距也从2 m×2 m缩小到1.5 m×1.7 m，井眼防碰问题日趋突出［1］。原有的井眼防碰方法及措施［1-3］，如优化整体防碰设计方案、井眼轨迹测量和防碰扫描计算、井眼轨迹控制人工监听、提高人员的防碰意识等，多数属于通过预测进行防碰，除人工监听方法外，没有实时监测的手段，已经不能完全满足加密调整井的防碰需求，主要表现在:①在早期的钻井过程中，对邻井井眼轨迹参数的测量不准确或由于某些原因导致轨迹参数资料不全，使得防碰扫描计算产生误差甚至无法计算;②防碰扫描用的井眼轨迹数据通过测斜数据得到，具有一定的滞后性，属于防碰预测的方法，且不同方法计算的井眼轨迹与实际井眼轨迹存在一定的计算误差和预测误差;③人工监听的方法只能是一种辅助的手段，且受监听人员的经验、精力和周围环境(风雨雷电、海浪、平台动力设备等)的影响较大。

鉴于上述原因，有必要研究新的井眼防碰监测方法，使之与现有防碰预测和防碰方法互为补充，更早发现钻头对邻井套管的趋近或碰撞。为此，本文提出了一种新的防碰监测方法，其基本思路是:利用安装在邻井套管头上的加速度传感器拾取钻头破碎岩石产生的振动信号，通过分析钻头破岩诱发的振动波沿地层和套管的传播规律建立套管头振动信号特征与钻头距套管间距离的关系，根据该信号特征识别实现对钻头趋近风险井套管的监测。

2 套管头振动信号特征应用于油井防碰监测的可行性分析

2.1 振动信号的时频变换

由钻头振动产生的信号是一种复杂的随机信号，很难在时域内分辨出其频域特征。通过傅里叶变换可以把复杂的振动信号从时域变换到频域(也称为时频变换)，了解信号在不同频率范围的分布规律［2］，更深入地揭示被测对象内在的频域本质。由于实际采样信号是离散的，并且采样信号的样本长度是有限的，因此在对数字信号进行傅里叶变换时需要采用傅里叶变换的离散算法。设x(r)为随机振动信号样本，离散傅里叶变换(DFT)［4］的表达式为

正变换

逆变换

式(1)、(2)中:X(k)为x(r)的傅里叶变换;N为样本数据个数;r为信号在序列中的位置;k为频率在序列中的位置;e是自然对数的底;j是虚数单位。

自功率谱密度函数的定义为单个随机振动信号的功率谱密度函数，为该随机振动信号自相关函数的傅里叶变换，故其表达式为［5］

式(3)中:Sxx(k)是自功率谱密度函数;Rxx(r)是对应的自相关函数;其他符号意义同前。

通过对钻头振动信号频率分布特点的分析和研究，初步得出其一个特征频率段为200～300 Hz;通过研究该频率段的信号频谱特征，得到了部分振动信号的功率谱幅值与井间距离的关系。根据某平台的实际监测数据分析，该平台风险井L5井与在钻井L11井距离较近的风险井段在290～450 m。利用功率谱分析方法将时域信号转化为频域信号，分析该井段的频谱特征与井间距离的关系，得出310、330、350、370 m井深处的功率谱特征如图1所示。

图1 某平台在钻井L11井及风险井L5井在井深310～370 m的功率谱特征

2.2 振动信号频谱特征与最近井间距离的关系分析

以10 m为一个井段间隔，以一个井段内功率谱相对幅值的平均值作为这一井段能量度量。对于井深290～450 m井段，统计计算在钻井L11井与风险井L5井最近井间距离和L5井套管头振动信号200～300 Hz功率谱相对幅值的平均值，并将统计结果列于表1，其中功率谱相对幅值为风险井功率谱幅值与在钻井功率谱幅值的比值。

根据表1数据作L11井与L5井最近井间距离随井深的变化关系曲线(图2)，可以看出，L11井与L5井的最近井间距离随井深的增加先逐渐减小，在350 m附近达到最小值，之后随着井深的增加又逐渐增大。图3为L5井套管头振动信号功率谱相对幅值平均值随井深的变化关系图，可以看出，L5井套管头振动信号200～300 Hz功率谱相对幅值平均值随井深的增加先逐渐增加，在350 m附近达到最大值，之后随着井深的增加又逐渐减小，这与最近井间距离随井深的变化关系正好相反。

表1 某平台在钻井L11井与风险井L5井最近井间距离和L5井套管头振动信号200～300 Hz功率谱相对幅值平均值计算结果

根据表1数据作L5井套管头振动信号200～300 Hz功率谱相对幅值平均值与L11井和L5井最近井间距离的关系图(图4)，可以看出，随着在钻井L11井与风险井L5井最近井间距离的增加，L5井套管头振动信号200～300 Hz功率谱能量会衰减，衰减趋势基本呈指数形式。

图4 某平台风险井L5井套管头振动信号功率谱相对幅值随在钻井L11井与风险井L5井最近井间距离的变化关系

由以上分析可以得出，在套管头处安装传感器能够感受到钻头破岩诱发的套管振动信号，所拾取的振动信息功率谱特征与振动波沿井筒和井间地层的传播距离，特别是与最近井间距离之间存在对应关系，用这种方法识别钻头对风险套管的趋近在技术思路上具有可行性，而且经过更深入的研究可以成为一种新的防碰监测手段，再结合井眼扫描等手段能够进一步提高防碰预测、监测的准确性，从而弥补现有防碰手段的不足。

3 结论

(1)在钻井钻头振动诱发的风险井套管头振动信号存在一个频率为200～300Hz的特征频率段，该频率段振动信号的功率谱相对幅值与在钻井钻头距风险井套管间的距离存在对应关系:在钻井钻头距风险井套管间的距离增大时，振动信号的功率谱相对幅值逐渐减小;反之亦然。

(2)利用在风险井套管头处安装传感器可以感受到在钻井钻头破岩诱发的套管振动信号，用这种方法识别在钻井钻头对风险井套管的趋近在技术思路上是可行的。

［1］魏刚，张春琳，邵明仁．小井距密集丛式定向井防碰技术［J］．内蒙古石油化工，2010(2):99-101．

［2］伊明，陈若铭，万教育，等．丛式井、分支井钻井过程中的井眼防碰计算及应用［J］．新疆石油科技，2006，16(3):1-8．

［3］国家能源局．SY/T 6396-2009钻井井眼防碰技术要求［S］．北京:石油工业出版社，2009．

［4］李绪锋．大组丛式井工程设计与施工［J］．西部探矿工程，2006，18(3):74-77．

［5］王济，胡晓．MATLAB在振动信号处理中的应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2006．

Feasibility analysis on application of casing head vibration signal in wellbore anti-collision monitoring

Liu Gang1Kong Dechen2Sun Jin1Liu Qing3Yang Quanzhi1
(1．College of Petroleum Engineering of China University of Petroleum，Shandong，266580;2．Drilling Division of SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau，Shanghai，201206;3．Yangtze University，Hubei，434034)

A new wellbore anti-collision monitoring method is presented，which uses the sensor installed on casing head of risk well to monitor the drill bit vibration signal transmitted by the casing，analyzes the propagation pattern of vibration wave between formation and risk casing，forecasts the drill bit approaching the risk casing and evaluates relative distance between drill bit and the risk casing．The analysis results show that the risk casing head vibration signal induced by bit cutting rock has a characteristic frequency range and the vibration signal characteristics are related with the distance between drill bit and the risk casing definitely．So，it is feasible to apply this method in wellbore anticollision monitoring during drilling infill wells．

casing head;vibration signal;inter well distance;anti-collision monitoring;feasibility analysis

2011-08-15改回日期:2011-09-06

(编辑:孙丰成)

*国家科技重大专项“海上油田丛式井网整体加密及综合调整技术”子课题“海上油田丛式井网整体加密调整多平台钻井趋近井筒监测方法研究(编号:2011ZX05024-002-010)”、“多枝导流适度出砂及海上油田丛式井网”子课题“整体加密钻采技术示范(编号:2011ZX05067-002-006)”研究成果。

刘刚，男，教授，毕业于原华东石油学院钻井工程专业，一直从事石油工程相关的教学、科研工作。地址:山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号中国石油大学(华东)石油工程学院工科B座(邮编:266580)。