随钻振动和冲击参数监测在钻井过程中的应用

吴斌，吴丰，李建龙，梁宇涛，马兰英

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井分公司，天津 300457；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；3.中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南 濮阳 457061）

随钻振动和冲击参数监测在钻井过程中的应用

吴斌1，吴丰1，李建龙2，梁宇涛2，马兰英3

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井分公司，天津 300457；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；3.中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南 濮阳 457061）

在钻井过程中，受振动和冲击的影响，井下钻具尤其是钻头和底部钻具组合极易损坏，因此可通过监测随钻振动和冲击参数实现对井底钻具状态的监测。通过在随钻测量仪器上增加三轴应力传感器和扭矩传感器，可以监测井底钻具的轴向冲击、径向振动和扭矩变化，并利用随钻测量仪器的脉冲信号将这些信息及时反馈到地面，以便调整钻进参数。文中介绍了随钻振动和冲击参数监测的原理和工作模式，总结了海外与西方公司合作的2口井的施工实践。现场实际应用表明，这项技术可用于判断井下复杂情况，并根据实时监测数据对钻进参数进行及时调整，有效地防止钻具疲劳破损及钻具落井事故的发生。

随钻监测；振动；冲击；定向井

在钻井过程中，井下钻具组合受交变应力的影响会发生疲劳破损，特别是钻头和底部钻具组合部分受振动和冲击的影响极易损坏。因此，利用随钻振动和冲击参数监测来实现对井底钻具状态的监测，成为一项势在必行的技术。

利用MWD传输信道，将井下采集的轴向冲击、径向振动和旋转方向扭矩波动的数据发送到地面数据处理仪，通过计算机软件将这些数据实时地展示在司钻显示器上，为调整钻进参数提供参考［1］。本文着重介绍这些参数所反映的井下情况，以及振动和冲击参数监测在现场的应用情况。

1 监测原理

在钻井过程中，井下钻具组合承受着钻具重力（压力）、绞车拉力、钻头水力推力、钻井液浮力、井壁摩擦力、钻柱正旋扭矩和钻头破碎地层的反扭矩等复合应力的综合影响［2］（见图1）。井下钻具组合的受力情况在地表监测仪器上反映为钻压、扭矩、工具面、泵压等参数的变化。然而随着井深的增加，井下钻具组合的受力状态就不能明显、及时地通过地表监测仪器进行监测。

图1 简化的井下钻具受力分析

因此，通过在普通MWD探管上加装三轴应力传感器和扭矩传感器，就可以有效地反映这些复合应力的综合作用（见图2）。其中，Z轴参数反映钻柱的轴向冲击，XY轴参数反映钻柱的径向振动，SS参数反映钻柱的扭矩波动。这些参数与随钻数据都在司钻显示器上显示出来［3-4］（见图3）。每个参数都有不同的报警级别，并通过可视化的颜色来给以警示。

图2 振动和冲击传感器监测模型

图3 司钻显示器界面

2 工作模式

2.1 钻柱的轴向冲击

Z轴方向的冲击主要体现为钻头蹩跳。通常在使用牙轮钻头施加过大的钻压或者使用PDC钻头钻硬地层时，钻头蹩跳比较严重。另外，Z轴参数的变化也能体现出地层软硬程度的变化。钻头蹩跳会破坏齿轮的密封，损伤钻头牙齿，进而降低钻头寿命［5］；钻具频繁振动，也会导致MWD精密电子部件损坏。通过优化钻具组合和下入减振接头，可以减弱这部分影响。随钻过程中，轴向冲击的各级报警意义及应对措施如下：

1）绿色为安全级别。此级别钻进过程中会不可避免地产生钻具振动。

2）黄色为戒备级别。到达此级别时，需要参考其他2个参数，并通过调整钻压和转速来控制［6］。

3）红色为警告级别。到达此级别时，需观察3～5 min，并采取以下方法解决。a）增加1～2 t钻压，并降低5～10 r/min转速，观察是否返回安全级别；b）在允许的钻压和转速范围内重复步骤a），直到返回安全级别；c）上提钻具，停止转动后重新开启，转速降为之前的一半，然后逐渐增大钻压到之前的打钻钻压，待钻压稳定后，将转速恢复到正常打钻状态继续钻进。

2.2 钻柱的径向振动

XY轴方向的振动主要体现为钻柱偏心转动。它会造成扭矩增加、钻具损伤、钻头破坏、扶正器偏磨、井眼扩大等［7］。通过提高排量、降低摩阻、降低转速和增大钻压等措施，可以消减这部分影响。随钻过程中，径向振动的各级报警意义及应对措施如下：

1）绿色为安全级别。此级别钻进过程中会不可避免地产生钻具振动。

2）黄色为戒备级别。到达此级别时，需要参考其他2个参数，并通过调整钻压和转速来控制。

3）红色为警告级别。到达此级别时，采取以下方法解决。a）降低5～10 r/min转速，3～5 min后观察是否返回安全级别；b）上提钻具，停止转动后重新开启，转速降低10 r/min，恢复钻进，然后逐渐增大钻压到之前的打钻钻压，继续观察并调整参数。

2.3 钻柱的扭矩波动

钻柱的扭矩波动反映了正常钻进过程中钻柱在反扭矩作用下产生的制动现象，主要受钻头破岩能力的影响［8］。钻柱在交变扭矩的作用下容易产生疲劳，对PDC钻头的牙齿损坏也是比较严重的。钻井设计时，通过下入抗扭矩接头、滚子扶正器等工具可以减弱这部分影响。随钻过程中，扭矩波动的各级报警意义及应对措施如下：

1）绿色为安全级别。此级别钻进过程中会不可避免地产生钻具振动。

2）黄色为戒备级别。到达此级别时，需要参考其他2个参数，并通过调整钻压和转速来控制。

3）红色为警告级别。到达此级别时，采取以下方法解决。a）提高5～10 r/min转速，保持或降低1 t钻压，观察3～5 min是否返回安全级别；b）在钻井设备允许的条件下，继续降钻压并提转速，直到恢复安全级别；否则，考虑短起下通井。

4）紫色为严重警告级别。到达此级别时，采取以下方法解决。a）提高5～10 r/min转速，降低1～2 t钻压，观察3～5 min是否返回安全级别；b）在钻井设备允许的条件下，继续降钻压并提转速，直到恢复安全级别。短起下通井后，采用高转速、低钻压继续钻井。

正常钻进过程中，地层软硬交替造成的钻压失稳，通常反映为钻具蹩跳或制动现象。这些信息被井底传感器及时采集并反馈到地面，供司钻和工程师调整钻进参数。当发生井下复杂情况时，这几个参数都会有相应的变化，只是程度有所不同。长时间的监测数据报警，则预示着井下事故或复杂情况的发生。考虑各种因素的变化，结合钻压、扭矩、泵压、转速等参数的变化进行综合判断，将有效地预防和解决井下复杂情况［8-9］。

3 现场应用

11平台已完钻的2口井，均在φ311.15 mm井眼中钻至Umm Er-Radhuma地层底部时发生了钻头损伤。地层对比情况如表1所示。

表1 11平台2口井φ311.15 mm井眼地层对比

1号井在φ311.15 mm井眼中使用的钻头型号为QD506FX。当钻至1 725 m后，机械钻速逐渐减慢。对比邻井资料，虽然该段也有机械钻速变慢的现象，但从振动和冲击参数记录上也表现出了明显警示。直到钻至1 775 m（垂深1 597.88 m）时，由于机械钻速过慢，已降低到2 m/h，井队决定起钻检查，发现钻头牙齿磨损严重，主力切屑齿几乎全部崩碎。更换新钻头恢复钻进后，机械钻速明显提高，且振动和冲击报警级别降低。

2号井在 φ311.15 mm井眼中使用 BEST钻头TS1952SS型号。钻至1 700 m后，机械钻速减慢。钻至1 715 m后，泵压下降约1 MPa。循环观察0.5 h后，泵压趋于稳定，接监督指令维持16～20 kN钻压继续钻进。钻至1 741 m（垂深1 650.66 m）时，泵压下降，机械钻速明显减慢，降低至2 m/h。井队随即决定起钻检查，发现钻头磨损严重，端部磨平，钻具刺漏。对比分析振动和冲击记录可以看出：在钻进1 715～1 735 m井段时，明显报警级别较高；而钻进1 735 m以后井段时报警级别降低，判断是由于钻头端面磨平后导致反扭矩减小造成的。

4 结束语

带有随钻振动和冲击参数监测功能的MWD，能够反映井下钻具组合的受力情况，通过适当地增减钻压、增减转速、调整排量等措施及时调整钻进参数［10］，从而避免钻头频繁蹩跳和扭矩波动（瞬时制动现象），实现对井下钻具组合的保护。另外，当发生井壁坍塌和钻头泥包等情况时，可以参考振动和冲击参数的变化及时进行判断。因此，这项技术在节约钻井成本、缩短钻井周期、优化钻井过程控制方面具有极大的优势。目前，振动和冲击参数监测逐渐成为定向井随钻监测不可或缺的重要参数。

［1］韩学岩，武庆河.钻具振动的三种基本形式［J］.录井技术，2003，14（3）：41-46.

［2］顾纯巍，杜威.井下钻具受交变应力影响［J］.石油钻采工艺，2007，29（6）：110-112.

［3］高德利，王德桂.底部钻具振动特性分析及信息传输实验［J］.石油钻采工艺，2007，29（5）：1-4.

［4］王鹏，闫铁，李钢，等.考虑钻柱振动的底部钻具载荷传递规律研究［J］.石油天然气学报，2014，36（3）：154-158.

［5］闫铁，韩春杰，毕雪亮.斜井眼内钻柱轴向振动的有限元分析［J］.石油钻探技术，2006，34（4）：5-8.

［6］杨玉丰，刘玉榜，徐军.钻具振动对FEWD井下仪器的影响及预防措施［J］.石油钻探技术，2007，35（3）：88-90.

［7］韩春杰，阎铁.水平井侧钻过程中钻柱横向振动规律的研究［J］.石油机械，2005，33（1）：8-10.

［8］巩全成，吴亚锋，李江红.基于DSP的钻井黏滑振动控制系统的研究［J］.测控技术，2014，33（9）：76-83.

［9］陈锐，李黔，尹虎，等.钻井风险实时监测与诊断系统设计及应用［J］.断块油气田，2013，20（1）：115-117.

［10］刘天鹤，王建富，刘天静，等.水平井现场决策系统与应用［J］.断块油气田，2014，21（5）：678-680.

（编辑 赵卫红）

Application of vibration and shock parameter monitoring while drilling in drilling process

Wu Bin1,Wu Feng1,Li Jianlong2,Liang Yutao2,Ma Lanying3
(1.Directional Drilling Company,BHDC,CNPC,Tianjin 300457,China;2.College of Energy Resource,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3.Natural Gas Production and Marketing Plant,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC, Puyang 457061,China)

In the process of drilling,the down hole assembly,especially bit and bottom hole assembly,will be brought about fatigue failure duo to the effect of vibration and shock.Therefore,the monitoring on bottom hole assembly can be realized through vibration and shock parameter monitoring while drilling.Through the increase of triaxial stress sensor and torque sensor in MWD instruments, the axial vibration,radial swing and drill tool torque change of down hole drilling tools are detected,and using the pulse signal of MWD apparatus,these information are timely fed backed to the surface.This article introduces the principal and work mode of vibration and shock parameter monitoring while drilling,sums up the operation practices of two wells in cooperation with western companies and describes the technique in detail.Practical application shows that this technique can be used to judge the complication of down hole and to adjust the drilling parameters according to real-time monitoring data,effectively avoiding the fatigue failure and fishing.

monitoring while drilling;vibration;shock;directional well

TE927+.6

：A

10.6056/dkyqt201501025

2014-08-11；改回日期：2014-11-17。

吴斌，男，1982年生，工程师，2005年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，现主要从事钻井工作。E-mail：bhdcwubin@hotmail.com。

吴斌，吴丰，李建龙，等.随钻振动和冲击参数监测在钻井过程中的应用［J］.断块油气田，2015，22（1）：113-115.
Wu Bin，Wu Feng，Li Jianlong，et al.Application of vibration and shock parameter monitoring while drilling in drilling process［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：113-115.