回顾高频测量技术的研究和开发用于非线性动力学的钻

文摘

高频测量可以提供更多的新见解钻动力学与传统仪器相比,导致一个新的领域钻的行为比以前详细的理解。本文数据采集工具,介绍了高频采样率和数据处理。基于高频数据,钻井动力学的研究进展,包括低频钻动力学的新理解,高频扭转振荡(HFTOs)和高频轴向振动(HFAOs)和新发现的耦合振动和动作,以及模型和仿真方法来深入理解高频动态钻。高频测量被用于使钻孔机改善钻机性能,尤其是对现场决策,底部钻具组合的选择,和一些设计,通常是通过减少振动的方法,以获得高效钻井条件下,钻头附近的高频响应也可以用来在钻井岩性识别。虽然仍然存在差距的研究视角和钻井实践中,高频测量的行业已经一个良好的开端,有巨大的潜力,以避免未来的非生产性时间于是降低钻井成本。

1。前言

非线性系统,其特点是nonregularity、非加和性和不可预测性,钻井过程中普遍存在,特别是在动态钻。在这些系统中,非线性的大,耦合挠度发生在井底组件移动在一个狭长的井,井壁摩擦接触,结果抑制运动(1]。与一个巨大的长径比,钻具有复杂动力学的复杂应力条件下,多维振动在其旋转运动,典型的振动行为,如纵向振动、横向振动、扭转振动(粘滑运动)和旋转耦合在不同程度和钻井安全和效率密切相关。钻、冲击和振动下的疲劳失效钻,过度磨损的,井筒不稳定,和井下工具可能发生损坏,导致钻井事故,甚至导致弃井。根据统计结果,操作失败相关的冲击和振动产生数亿美元的损失,代表四分之一以上的总损失报道和25%的非生产性时间不扩散核武器条约》(NPT) (2- - - - - -7]。为了有效地优化钻井效率,降低了成本和风险而获得相当大的影响和好处,必须考虑钻动态。适当的建模和监测是至关重要的防止钻动力造成严重的钻井问题[3,8]。

自从鲁宾斯基(9]提出了二次弯曲理论早在1950年,钻动力一直是最重要的和有吸引力的研究领域在石油和天然气行业在过去的70年左右。此外,模型被用来评估和实验揭示了根源,振动控制技术和应用程序。现象,如固有频率的钻,钻旋进,耦合不同的振动和旋转,混乱的行为底部钻具组合(BHA)运动,和钻头与地层之间的关系,是确认和详细讨论2,10- - - - - -16]。已经证明,有一个钻动力学之间的紧密联系和钻井参数和随机特色看似不规则的行为有所非周期的排序。然而,表面被发现是不确定对井下测量行为(17]。深入理解的无序行为的内在本质非线性系统,井下测量开始支持钻动态研究在1990年代。之后,钻动态的研究步入快速发展阶段,形成特色和振动及其相关性,底部钻具组合旋转和反弹,底部钻具组合的共振,和振动控制和缓解研究基于井下数据(18- - - - - -23),有效地促进了底部钻具组合设计和生产增加。

传统上,传感器采样频率较低的被用来收集井下数据,但研究人员逐渐验证样本在低频率不足,和数据质量开始限制动态性能的研究[24]。高频数据与迫切需要钻动态研究的更多信息。分析高频数据似乎是特别有用的来更好地描述和理解振动事件,突出技术限制的钻井性能(25]。实际上,高频测量与采样成百上千赫兹已经广泛应用于石油和天然气行业的估算提取液中的固体颗粒含量(26),监控平台振动和摇动条件(27,28],防撞监测套管(29日]。然而,对于设计更具挑战性的原因比表面和井下传感器标定,应用高频测量用于井下动态滞后,并使用高频数据仍然是一个前沿钻动态研究。

近年来,井下动态数据收集在越来越高的采样率提供新的见解和依据井下运动和力量,提高我们理解的动态行为,底部钻具组合、钻。高频数据包括振动、弯曲、压力、温度、转速和可以用来彻底理解钻动态,这是钻井的关键性能。本文总结了高频采样率的测量工具,发现基于高频动态数据,如旋转、高频扭转振荡(HFTO),高频振动的耦合,和低频粘滑运动进行了综述,介绍了一些应用程序或使用高频技术潜在的应用,然后高频钻动力学的期望和建议。

2。为钻动态高频数据采集

传统的振动或冲击检测是基于随钻测量(随钻测量)设备和表面监测仪器,频率较低的现象,如粘滑运动,和横向或纵向振动,旋转,观察。陈董和总结了不同形式的振动和冲击及其主要特点30.),如表所示1。大多数钻的三种基本模式,如轴向(纵向)模式,扭转(旋转)模式,和横向(横向)模式,相对较低的频率低于50赫兹。同时,一些钻独特的高频振动的特点,扭转共振的频率大小和位喋喋不休到几百赫兹,和的最大扭转共振频率和振幅可达约560赫兹和200克31日]。根据Nyquist-Shannon定理(32),采样率通常应至少两倍频率最高的利益,钻动态研究的采样率必须达到几百赫兹在某些情况下,就使用低频数据不能满足要求。钻井动态的测量能力的改善工具已经显示的意义钻动力可靠性的井下工具和钻井的整体性能,先进的数据采集工具样本率高的迫切需要。

2.1。数据采集工具

不同的开发工具包含不同种类的传感器采集高频动态参数的单轴或三轴加速器,RPM,弯矩,钻压、扭矩等。测量钻动力与高频样本率表中列出2可以分别安装在表面钻机,或在底部,或沿钻用于多种目的,这是非常有利于更好地理解的高频动态钻和优化系统性能。这些工具的样本能力范围从50到5020 Hz,模块化的设备在实验测试期间采样率最高。在这些工具,空间站是一种特殊的钻动态测量工具安装在表面,采样率范围从50到500赫兹,和数据是通过无线信号传播。由于表面测量不能准确识别井下振动的发生,大多数工具设计用于安装在底部钻具组合或沿钻实时收集数据来提高我们理解的动态行为,底部钻具组合、钻。高频数据中获得的信息提供了重要的见解启动旋转钻井系统的响应;钻井过程和参数修改;和接触激发来源包括但不限于,钻井平台升沉,底部钻具组合组件不平衡和bit-rock互动(51]。

受限于传输的泥浆脉冲遥测(通常由先进的剪切阀20比特/秒脉冲发生器(52)、井下数据采集通常使用网络钻遥测和井下存储(内存模式)。高采样率的工具可以追溯到有线遥测系统(WTS)问Industries Inc .在1985年(18),采样率为650 Hz和井下数据传输到表面基于有线钻技术。有线系统提供了一个双向沟通井下传感器和表面之间的联系,可以驱动井下电子从表面上看,和有线可以快速从钻柱中提取所需的维护或修复(53]。通过使用有线钻杆技术,网络化的钻遥测的转移率可以达到57600比特/秒(相当于每秒1800 32位数字)的实时双向宽带表面和井下之间的通信,而新的可能性对井下动态监测被打开(54)和井下动力工具,如DWD BlackStream系列开发。相比网络钻遥测,井下采集的数据存储模式是由传输速率无限,和振动信号可以存储在内存磁盘当传感器得到的数据。起出钻后,存储在跑后回放可以读取的数据进行详细的调查分析。一般来说,最大数量的样本率高的井下工具是基于内存模式,如DDMT、安全DBS, TVM DMM, DDR,黑箱55]。

一些先进钻动态测量工具如图1。大部分的井下工具,如DWD,数字,和BlackStream系列,是为井下子,DWD测量工具和BlackStream ASM工具的结构如图2分别代表了设计方案基于井下内存模式和有线钻传输模式。特别,DDR工具及其更新版本Eclipse II黑箱,以及立方库尔迪斯爱国联盟,是由作为按钮的形状,可以安装在任何地方钻与一个定制的运营商盒子。大多数的工作温度和压力工具表2可以分别达到150°C和20000 psi,拥有TVM最好的高温高压的性能,和工作温度和压力可以达到180°C和30000 psi,在深井钻井井下数据可以获得。先进的工具如振动随钻测量工具是一个成熟的行业标准随钻测量工具(高达1000赫兹在采样率为2500 Hz, 200克为每个轴传感器,4 GB内存)井下动力和钻井优化,并旋转可操纵的上方的系统和拥有的能力传递平均数据实时表面post-well分析原始数据和存储在内存中。最近在振动测量带宽增加到1,000赫兹范围增加了加速度传感器200克(56]。

2.2。井下高频数据的处理

实现有效的监测钻井时,一些井下存储动态测量工具具有原位数据处理的功能,和原始数据流从传感器在高采样频率可以被转换成低频(通常0.2 - -0.5 Hz)统计值,如平均值、最小值,最大值,均方根(RMS),和根的意思是多维数据集(RMC)值。这些数据与相对较低的频率可以通过泥浆脉冲随钻测量井下记录器等表面的工具,安装时TVM随钻测量或补充随钻测量的一部分。

在一般情况下,高频数据记忆在井下工具无论有线钻杆或使用随钻测量。对井下测量数据存储能力有限的钻井工具的设计,和制造商传统上应用不同的方法,收集“破裂数据”和“连续数据。“破灭数据是一种高频序列快照井下障碍的分析,它可以在周期时间序列或发起虽然触发持续5到10秒。连续数据计算到关键的统计参数,算法获得样本数据时高频率,然后RMS,最小和最大值是存储在一个几秒钟的时间窗口25]。最近,高级工具的记录连续高频样本数据的能力在很长一段时间(几分钟至几小时),和这些数据提供钻动态了解钻井系统的更多信息,增加钻井性能。高频数据采集和处理的工作流图所示3的采样率50 Hz用作低和高频率之间的边界值51]。

在数据处理中,应该注意的是,洞的倾向和倾角的录音工具本身改变在运行期间,和需要考虑到这一事实,分析测量加速度。横向加速度计的现象观察,切向加速度计,和轴向加速度计数据已经证明通常归因于旋转,扭转波动钻和反弹,如图4,这有利于井下功能障碍诊断。

3所示。基于高频数据的钻的进展动态

通过上面所提到的,使用测量工具和高频样本率数据与更多的信息为我们提供新的见解和证据钻动力学。高频测量用于验证振动传播距离/模式和频率响应。测量数据提供了重要的信息来理解工具响应特性在不同钻井参数,倾向,和条件。通过这些数据,更好地理解基本的振动模式,一些新的现象,比如HFAO和HFTO被发现,和研究之间的复杂耦合不同振荡的钻上有了很大的进步。

3.1。频率较低的钻动态行为的新理解

3.1.1。横向和纵向振动

广泛的振动已经被抓获的钻井系统从一个占主导地位的振动模式,通常扭转(井下旋转速度振荡或粘/滑)到一个不同的模式,如轴向(反弹)或侧(旋转)。通过使用两个模块化设备,分别安装在钻头和底部钻具组合(15米),霍夫曼et al。42)比较了横向振动数据,发现低频振动更高在底部钻具组合,而高频振动在整个运行,证实了低频振动BHA-induced bit-induced高频振动。整体振动在这两个位置都由高频振动,建议bit-induced的振动可以传播到叔丁基羟基茴香醚和可能导致底部钻具组合的失败。

可怜的工具面控制的影响和重量转移积累的长度,加剧了问题也变得更深。这将导致高扭矩和阻力最终会降低钻井性能,即使在旋转模式。为了解决这个问题,使用摩擦减少工具(FRTs)与可操纵的汽车在北美已成为常见的地方。井下仪器的传感器和高频采样率是用来确认FRTs的价值。轴向振动工具的应用效果(AOT)和横向振动工具(lvt)评估了哎呀et al。58)和五个高频测量设备包括在钻在中东钻切好。轴向振动产生的AOT(约18岁Hz)可以在数百英尺或高达一千多英尺远的工具验证了(如图)5),aot可以提供更多有效的减阻和显著提高钻井性能相比,从而可以在类似的抵消井根据现场情况。AOT及其布局优化的效果也肖等人通过仿真计算和现场(59]。原位分析破裂ddr获得的数据表明,加速度大小的AOT整体有点高于底部钻具组合没有AOT的经验,和一个减震器应该安装下面的AOT获得更大的部分振荡能量向上。这可能有利于AOT应用程序与侧根长由于摩擦减少渴望提高钻压传递。嗓音起始时间和背阔肌可能负面影响可靠性的电子和泥浆脉冲设备跳闸导致非生产性时间失败的设备由于振动和振动被引入丁基羟基茴香醚和钻柱。一个新的轴向FRT是由琼斯et al。60高频破裂),数据显示,没有过度冲击和振动感应到从FRT底部钻具组合和字符串,提出FRT是有效地传输轴向振动沿底部钻具组合没有引入任何破坏性影响底部钻具组合。

3.1.2。反向旋转的新见解

井下接头的测量提供了一个清晰的理解加载放置在井下设备向后和混乱的旋转运动。这些信息是有用的预测井底组件的生活和发展措施,避免井下故障工具设计和时间表等井下工具的检查和维护。

根据高频数据进行定向钻井测试设备,浅色印花布等。38)分类四钻的典型行为状态,如图6。在图6(一)钻不受广泛的弯曲或转矩波动在正常钻井,弯曲和频谱显示,没有主导频率。在图6 (b),粘滑运动的特点是巨大的旋转和转动的加速度,速度波动和钻可以达到高达300 rpm,然后降至零,用2 - 3赫兹滑移弯曲频谱rpm(红色)。在弯曲向后旋转,速度优势频率30 Hz是出现在钻RPM 1.45赫兹(105 RPM),如图6 (c)。在图6 (d),最具破坏性的事件之一是捕获并显示的状态和向后旋转接触耦合的粘滑运动滑阶段,和弯曲滑动时间间隔直接拍摄到高频率接近50赫兹。

通过井下高频字段数据在扩大垂直底部钻具组合包括18.125 -。PDC钻头,push-the-bit扶轮操纵系统(RSS)和21。扩孔器,圆顶礼帽et al。51详细讨论了旋转的不同振动类型。如图7,向前旋转(蓝线)和向后旋转(红线)都是测量,和过渡到混沌旋转钻孔接触引发的描述;高频数据旋转弯曲由于旋转的交会图法04:32:15 (a), 04:32:30 (b), 04:32:45 (c)和04:33:00 (d),分别描述为转变成向前旋转,向前旋转的状态,转变成混乱的旋转,和混乱的旋转的状态。在此期间,表面参数(罗普和RPM)是常数,和混乱的主要驱动旋转被认为是横向励磁和高摩擦在底部钻具组合和井筒之间的接触点。混乱的旋转产生高冲击和弯矩大波动,从而导致高风险的叔丁基羟基茴香醚和迅速破坏井下组件,特别是那些包含电子产品。另外,井下高频传感器能够描述离井底钻期间不稳定系统的连接和精炼过程。在倾斜的定向井backreaming 50°使用large-hole-size underreaming-while-drilling大会,从最低严重性向后旋转转换到完全发达安全性向后旋转观察(见图8)。它表明稳定剂在扩孔器的位置必须考虑防止井下故障。

基于现场数据采样在高频率,向后旋转约57赫兹被Oueslati观察et al。24),然后向后旋转的原因说明。如图9中,红色和蓝色箭头的箭头,分别代表了切削方向和速度,瞬时转动中心的一点一点之间的接触点和井壁无滑移,位的速度剖面描述以及三个模范线,虚线圆和演示了刀具轨迹。在点A和C,切削方向和刀具速度相互正交,刀横向移动。在即时的旋转中心之间的线位和位中心,速度的刀指向相反的方向在B点附近的区域(红色区域),受到向后的运动。另一方面在点,速度的刀指向同一个方向,附近的区域,并不是受到向后的运动。向后和向前运动之间的边境刀具在虚线圆上被定义为点A和C,使用所有环绕的中心,和向后运动计算圆,这是由瞬时转动中心和中心。刀具方向和速度矢量之间的夹角可以获得两向量的内积计算cutter-fixed坐标系中的速度,结果如图所示10,负值表示逆向旋转。

基于高频数据,探讨了振动模式的价值。一个简单的、纯粹的运动学模型是由费利克斯和van奥尔特(25),能够密切繁殖旋转振动模式中观察到的字段数据,在时间和频率域。结果表明,高频波动的切向和径向加速度可以归因于一个钻的旋转运动,以及这些波动的频率可以达到几百赫兹。高频井下加速度的快照显示不同的模式出现在不同的运行,和井下高频振动模式显然是很大程度上独立于特定操作参数以及井眼几何。这些模式似乎更有用的分类和量化振动比绝对振动参数值,自动分类的方法从高频振动井下数据开发,它正确地确定90%的粘滑运动实例和92%的旋转情况下,它提供了大量的井下信息障碍,这将有助于更好的区分和描述不同的振动模式定制的减排技术。

使用高频数据结合一个基于时间的动态仿真系统研究的井下动态响应王et al。43),和三个实际野外钻探场景,分别是大型井下RPM变异,- RPM问题,底部钻具组合旋转加上粘滑运动捕获。结果表明,大井下RPM变异是底部钻具组合相关的自然频率,和bit-rock相互作用引起的共振是导致大型RPM变异。消极的RPM中观察到井下数据可以钻,咬的粘滑运动造成的。此外,粘滑运动现象加上底部钻具组合旋转被确认,和向后旋转大约3赫兹的频率相对较低,这是类似于字符串RPM的频率。实际上,一些向后旋转事件的频率可以达到60 Hz左右(24),向后旋转运动使刀具高力量和冲击背后的形式可以摧毁钻石表或完整的刀具损耗,如图11。这些钻头动态发现强烈钻头设计提供支持。

上述研究结果有效地验证高频测量可以用来降低转速变化通过优化和底部钻具组合设计和操作参数,有利于减少不扩散核武器条约》,提高钻井的性能。

3.1.3。高频表面测量

浅色印花布等。38与200 Hz)开发了一种新的表面测量ISS采样率可以位于顶部驱动,和传统的滑轮抑制和摩擦表面仪器被淘汰。更有意义的比较表面和井下环境可以由使用空间站和井下子价值。传感器包包含有用的诊断信息,和表面测量似乎更多的顶驱操作特征的影响,而反映井下测量底部钻具组合的特点。扭转固有频率是由有限元分析(FEA)研究和现场数据,结果证实,与固有频率有一些协议从表面到井下,如图12。这意味着同时联合监测表面和井下可能提供一种新的方式了解钻动力学。

最先进的顶部驱动目前部署有能力记录转速和转矩频率200赫兹和粘滑运动有降低。根据频率谱分析两种不同深度间隔的数据记录在200赫兹,清楚进化与深度是主要频率转向较低的范围与深度增加(见图13)。这个结果是与数据由底部钻具组合的共振没有进化与深度,声称钻主导频率响应在表面。钻杆共振主要由其演化长度时,必须考虑高频数据分析(59]。

3.2。高频扭转振荡(HFTO)

表面测量系统无法识别的发生HFTO井下HFTO并不传播沿字符串表面但在重量级钻杆得到抑制。同时,发生实时HFTO无法解释的传统诊断日志数据实时绘制的频率较低。因为高频测量使用调查底部钻具组合的行为,HFTO获得伟大的关注已经成为一个话题近年来由于损伤造成较低的底部钻具组合的组件。典型故障调查期间关键指标显示,发生在底部钻具组合而HFTO钻井裂缝在工具,宽松的电子在此工具中,挤压电缆,剪切螺栓、尘土和振动,如图14(61年]。通常,环开裂的裂纹传播在飞机上45°的衣领轴是由过度HFTO [62年]。

当HFTO发生时,介绍了高频周期性扭矩加载在每个位置沿底部钻具组合和钻。扭矩幅值在不同的位置取决于HFTO模式和HFTO严重性。HFTO下,一些高频转速和转矩变化的经历。刀具的经历周期性加载可加速刀具损伤。泥浆马达转子和绕组匝可以进行高频转矩和转速的变化,从而导致加速橡胶磨损。由于PDC刀具的失败和退化的关键影响钻井泥浆马达功率部分性能,减轻HFTO的重要性不能被低估。因此,它是至关重要的调查的根源HFTO和管理HFTO提高钻井系统寿命和效率。

3.2.1之上。HFTO的原因

HFTO,共振频率远高于粘滑运动,是一种扭转不稳定,显示出与扭转共振频率在底部钻具组合和底部钻具组合的导致谐波振荡。HFTO首先捕获在硬地层钻井运行期间,然后验证HFTO是高度相关的操作参数和底部钻具组合,特别是当使用RSS。实际上,HFTO并不局限于RSS和可能会出现在任何其他底部钻具组合有或没有汽车在世界各地越来越密集的阵型41]。因素导致底部钻具组合共振在扭转方向主要是(a) bit-rock互动,(b)的钻井参数,(c)底部钻具组合的扭转刚度,地层密度(d), (e)底部钻具组合设计(61年,63年]。

在早期,尽管扭转共振观察和已知的导致向后旋转部分,它不是公认的PDC钻头失效的重要原因。基于现场井下数据,沃伦和奥斯特(64年]提出广泛的PDC维持扭转共振,这可能是在某些硬岩石快速破坏的原因因为刀具的应力状态从压缩转移到张力反向旋转后,但这要求不被证明是由于井下传感器敏感的不足。通过使用一个集成的动态行为与高频传感器采样率(250赫兹),HFTO从40赫兹到90赫兹,除了已经被Pastusek观察et al。65年),这似乎是共同与PDC钻井硬岩石碎片。图15数据显示5秒钟突然抓住了从低状态转换到严重HFTO状态,这突然出现的振动模式表明,它是由形成和/或操作环境变化但不逐渐削弱位的结果。职前的模型底部钻具组合是由帕蒂尔和奥乔亚61年],并假定HFTO会发生钻井preidentified形成,这些地层相对较硬(通常体积密度> 2.5克/ cc)。已经观察到的井下工具内存数据记录的随钻切向振动严重增加当钻头钻通过过渡区柔软多孔岩石更密集的一个,反之亦然。

基于高频井下传感器(800赫兹)定位1.5英尺(近钻头),107英尺(钻),线等。66年]进一步证实了低频的存在(< 0.5赫兹)和高频(∼70 Hz) RPM周期性振荡在底部钻具组合包括一个point-the-bit RSS,分别属性基本扭转自然在底部钻具组合钻和扭转共振频率。高扭转共振与极其有害的高频率和大小(10000 rad / s²)是一种由于碳酸盐岩地层钻井条件和疲劳井下工具有巨大的能力。HFTO的发生密切相关,在底部钻具组合的井下工具。威尔逊(63年)确认测量HFTOs机动rotary-steerable总成与底部钻具组合的传动轴的扭转共振频率,发动机的动力部分和一些。HFTO与系统固有频率也证书Oueslati et al。24),占主导地位的模式形状是观察到174赫兹。

井下高频数据执行广泛的分析后,很强的相关性之间的发生HFTO和地表参数(RPM和拖把)以及形成了由张et al。44]。HFTO通常是局部底部钻具组合,扭转能量是被困在一段底部钻具组合,以及HFTO变化的频率取决于不同的井下条件。HFTO可以兴奋和持续无论底部钻具组合的泥浆马达。低频棒/滑动和高频扭转振动可以兴奋同时耦合在一起。HFTO会逐渐变得越来越严重,可能是由于磨损或运动磨损,和严重HFTO切向加速度的幅值达到200克峰被观察到。瞬态动态模拟的结果表明,HFTO如下局部运动,它不会放置传感器捕获HFTO如果进一步高于电机。还钻杆阻带推荐是由于HFTO波的振幅衰减明显,自然模式中包含的能量将被困。这是非常有用的传感器位置和底部钻具组合设计,以减少HFTO避免过早工具失败的机会。

沈et al。62年总结两种机制,导致HFTO部分底部钻具组合中包含的或较低的钻。第一个机制与旋转钻探泥浆马达,如图16(上)。组成一个钻钻杆具有不同横截面区域在身体和钻杆接头,这重复的结构作为一个带通滤波器当扭矩波反射的激动或旅行起钻。转矩与位于阻带频率波将反映,引起扭转振动的能量可以包含在底部钻具组合发展成HFTO。这种类型的HFTO,其频率总是在阻带内钻和重合的底部钻具组合的自然频率。第二个机制与机动与钻柱旋转可操纵的系统如图16(低)。下面有一段底部钻具组合泥浆马达包括旋转可操纵的工具和其他组件。泥浆马达创建一个大的改变底部钻具组合的扭转刚度。扭矩波旅行时从一点到泥浆马达,大多数的振幅将反映,下面的底部钻具组合中包含的扭转振动是电机。这种类型的HFTO将频率重合的固有频率低于泥浆马达底部钻具组合部分。

3.2.2。HFTO模型

调查的多数HFTO关注分离底部钻具组合,而不是整个系统。为此,Tikhonov和Bukashkina67年)建立了一个模型,该模型考虑了影响“drillstring-BHA-positive位移马达(PDM)切磨过程”的3 d,钻的轴向刚度和底部钻具组合考虑轴向运动方程加上扭转方程,以及PDC钻头和岩石相互作用被认为是定义钻压和钻头扭矩振荡。轴向力和扭矩的动态方程表示为公式(1)和(2)。模型的方程可以解决通过时间集成和谐波分析的过程称为STICK-SLIP2的计算机代码,然后不同的钻井技术包括旋转钻探、滑动,结合钻井进行了分析。结果表明,频率HFTO在很大程度上取决于PDM动态,和扭转振动的共振频率而滑动和组合钻探(约199赫兹)高于旋转钻探(40 Hz)。这些结果将使钻机选择和调整钻井参数,以减少扭转振动: 在 轴向位移;Φ=Φ(年代,t)是旋转角;ρ丁基羟基茴香醚/钻杆材料密度;米单位长度的质量;E杨氏模量;剪切模量;一个横截面积;我_p是极惯性矩;问是单位长度外力;p是外部扭矩单位长度;年代是圆弧的位置计算的井底钻轴;和t是时候了。

底部钻具组合模型,可以分析机械加载和定向性能的各种和动态响应是由威尔逊[1]。模型是基于非线性有限元梁单元,和被考虑占不同的力学性能,完全耦合钻的灵活性,几何非线性,自动确定井筒摩擦接触点与任意径向间隙,三维井筒资料、流体附加质量和阻尼效应之间的流体动力生成钻和周围的流体移动,复杂的几何工具,剪切梁变形、横向旋转惯量,陀螺效应。通过方程(3),线性化振动振幅沿底部钻具组合可以计算基于一个假设fluid-damping模型和一个特定的谐波激励(运动,转子旋转,等等)。这个模型的计算精度是高频场井下数据,验证了横向固有频率计算的平均误差(< 5赫兹)小于3%,和一个更小的误差计算HFTO固有频率小于1%: 在哪里是底部钻具组合的线性刚度计算的准静态位置,是周围的频率相关流动的整体钻,是频率相关流体阻尼,是圆形的激励频率,是计算动态位移向量,是激发力矢量,下标吗c和年代分别cosinusoidal和正弦条件。

解决HFTO带来的挑战,自动化的方法提出了基于机械钻底部钻具组合优化模型,以及一个标准的预测兴奋扭转模式和相应的负载(加速度和扭转力矩)派生了Hohl et al。68年,69年]。比较的标准是基于从切削力产生的励磁和扭转模式的阻尼,对于每一个扭转,这是独特的模式,可用于扭转模式的敏感性排序HFTO贴/滑动。稳定状态可以根据临界值从方程(4),扭矩特性dTorque / dRPM必须大于临界值年代_{c k}每一个模式的形状k实现稳定的钻探。建模结果表明,增加惯性和外径之间的项圈和电动机的结果在增加稳定性,和轻微改变底部钻具组合设计显著提高钻井对HFTO稳定。进一步表明,粘/滑动可以减少通过选择硬钻杆与更大的外径,但长度的钻杆稳定性的影响可以忽略不计粘/滑动和HFTO。基于这个模型中,一个软件应用程序称为扭转振动顾问(TOA)已经开发和钻井优化提供了有价值的输入。分析结果表明,钻头的材料和质量分布显示有相当大的影响HFTO的激发。必须指出的是,这种行为将因为HFTO理论上是线性缩放的振幅在钻头的转速(70年]: 在D_k的模态阻尼被认为是扭转模式,ω_0,k是角本征频率,质量归一化特征向量的偏转在。

虽然切向加速度和动态的组合测量扭转力矩使声音估计HFTO在测量位置的严重性,代表性和可比性值最大值的切向加速度和动态扭转力矩出现在底部钻具组合仍未公布。代表值的推导的严重性HFTO是独立的传感器的位置,但测量信号是非常敏感的对的距离传感器的位置如果只有一个模式形状是居多的兴奋。为了克服这个限制,一种方法计算出的最大切向加速度和动态扭转力矩幅值为一个模式提出Hohl et al。70年,切向加速度和动态扭转力矩的测量信号结合代表值,这是独立的测量位置和特征HFTO的严重程度。这些值可以计算算法实现随钻测量工具,可以实时发送到表面。相比,传统的切向加速度的均方根值测量传感器的位置,该方法提供值因素高,可显示高水平的HFTO而传统价值观不能。这些结果在应用程序允许钻孔机或自动化咨询系统启动最优HFTO缓解策略导致减少的水平振动与已知的福利的成本。

HFTO缓解系统模型建立考虑整个钻井系统包括bit-rock交互,井下驱动(s),底部钻具组合设计、钻井参数和表面由沈et al。62年]。这个三维瞬态钻井动态模型为泥浆马达和旋转可操纵的开发系统(RSS)工具,它已经扩展到研究HFTO的严重性和周期性加载钻井工具。进行一个完整的钻井仿真后,钻井系统行为下HFTO可以完全描述。发现周期性扭矩加载不同的大小和频率的观察不同底部钻具组合的组件根据HFTO振动模式,HFTO严重性,底部钻具组合设计。仿真结果表明,高频载荷变化经历了传动轴的两端关节和高频力矩变化也观察到在转子上,高振幅接近低端。这可能会导致加速关节磨损和橡胶材料进行高频周期性加载,而加速磨损的橡胶材料一起RPM转子和定子之间的区别。

3.2.3。严重程度的评价HFTO

基于利用领域和实验室检测高频传感器,Oueslati et al。41总结了一个稳定的地图HFTO(见图16)在不同钻压和转速。图(17日)显示,低收入和高振幅振动明显分为区,这表明HFTO发生在更高的钻压和中度RPM。图17 (b)表明HFTO对应频率越高,占据多数的顺利开采区域和部分预期棒/滑动,这证实了HFTO通常不会发生在低WOB-high RPM带向后旋转。HFTO通常对应于高效的钻井参数在给定的硬地层和似乎并不影响钻井效率,和粘滑运动不会影响HFTO的发生。因此,它是不适合来减轻HFTO通过调整操作参数,因为这种调整可能导致低效的钻探和触发其他更具破坏性动态障碍。

通过收集的数据从RSS和机动的DDS RSS(夫人)底部钻具组合、钻井参数之间的关系(钻压和转速)和切向振动绘制了帕蒂尔和奥乔亚61年),如图18。高切向加速度记录随着钻压的增加,也有班轮与转速之间的关系,可以得出结论,这些原始参数钻井障碍HFTO引发的。图(18日)应用表明,更高的钻压和转速与RSS底部钻具组合,提高钻井性能随钻切向加速度但导致更高的振幅。图18 (b)显示了钻压和转速对切向振动的影响对于一个夫人底部钻具组合,由于切向振动解耦效果在井下马达的存在,那么表面参数应用于提高钻井性能相比,给出的RSS底部钻具组合相同的形成。很明显,理解的关系HFTO发生在给定的形成和钻井参数提供至关重要的信息而形成计划找工作困难。

提出的模型沈et al。62年)可用于敏感性研究评价HFTO风险不同的钻井系统的设计,和结果如图所示19。这表明泥浆马达与硬权力部分可以减少HFTO严重性因为HFTO的一部分能量会漏进钻上面部分发动机和阻尼。高钻压更有可能激发HFTO。HFTO也可以影响钻头的设计。在这个工作并行的是,沈等人一直在评估高频井下测量通过HFTO数以万计的运行,提供见解实际达到的功能紊乱。这项研究的一个例子是图所示20.。横轴是钻井性能指标与单位m²/ s方程中定义(5),越高越好。纵轴是一些无聊的指标定义在方程(6),越低越好。颜色显示高频数据集的比例与HFTO记录下井下传感器。大型数据集显示HFTO相关钻井性能较差,还有一个严重的相关性与HFTO有些沉闷。这些结果可以帮助我们有效管理功能紊乱和实现毋庸置疑钻井性能:

3.3。新型高频轴向振动

一种新型的高频轴向振动称为高频轴向振动(HFAOs)验证了Sugiure和琼斯71年)使用高频动态传感器嵌入到不同位置的motor-assist RSS底部钻具组合在页岩钻井期间,和HFAO 33赫兹和203赫兹的频率,如图21。203 Hz HFAO连同114 Hz HFTO及其二次谐波(228赫兹)axial-acceleration谱图可以观察到,原因是认为HFTO出现小幅轴向加速度计由于机械轴向和扭转/切向运动之间的相互作用。的轴向振动更共鸣在200 - 230赫兹在这个特定的叔丁基羟基茴香醚和钻井条件(特别是bit-formation交互),二次谐波的HFTO(228赫兹)似乎比114 Hz HFTO信号。少HFAO的研究可以发现,但可以看出HFAO和HFTO交互。

3.4。耦合振动和运动

众所周知,不同的井下冲击和振动模式可以夫妇。例如,严重一点反弹可能倾向于钻产生横向弯曲振动。耦合的纵向、横向和扭转振动钻在低频率小于10 - 20 Hz被研究人员广泛讨论,LFTO和粘滑运动模式可以两轴向振动模式。低频振荡的限制被打破了通过高频测量,并提供了新的见解,可以探索不同的低频振动之间的耦合,高频振动和低频振荡,不同种类的高频振荡。

3.4.1。新的见解的旋转和粘滑运动的耦合

旋转的运动模型是由费利克斯和奥尔特(25),验证了基于高频数据,然后观察旋转耦合的粘/滑字段数据被模拟研究。径向加速度的现场数据和仿真结果在长棒/滑移周期(时间8.5秒)在图所示22。正如RPM回升,典型的旋转模式出现,显示较低的振幅波动,当达到一定的速度再次增加的循环与低转速。右边的图显示了一个使用运动学仿真模型和不同转速输入。情节上,振幅达到从零到最大值,在底部的情节,两个高加速度之间的振幅波动水平,恰逢现场数据表明,一个或多个参数变化粘/滑移周期内,从而导致旋转振幅的变化。高速度在径向粘/滑有更强的影响比切向分量。高振幅切向的波动因此更有可能归因于横向振动而不是高频扭转振动现象。

3.4.2。高频振动和低频振荡的耦合

(1)的耦合HFTO和棒/滑动。据线(72年),低频扭转振荡(LFTO)和全粘/滑通常发生在小于2赫兹,HFTO发生50和250赫兹之间,同时还可能出现三种模式。实际上,同时LFTO HFTO可以相互影响。帕蒂尔和奥乔亚61年)把一章的高速数据工具的内存(图23),左边图显示连续HFTO右边图片显示HFTO粘滑运动叠加。这些high-torsional频率衰减产生的转矩和转速值导致大量的角位移,结果底部钻具组合内的剪切应变。

强大的低收入和高频扭转振动之间的耦合是观察到Zhang et al。44]。数据槽振动如图变得更加严重24(图(24日))。可以看出,随着位/丁基羟基茴香醚,振幅的RPM和切向加速度显著增加。在滑阶段,钻头切削形成,因此,一些岩石相互作用产生的力是HFTO可能的激励源。当涉及到一个停止,这样的激励源暂时删除,导致减少切向加速度振幅。的最大切向加速度达到高达100 g在滑阶段,而井下RPM峰值600 RPM。此外,图24(图24 (b))提出了一种放大两个粘滑运动周期的数据视图。HFTO有优势频率在194赫兹,加上7秒/滑动。测量194 Hz的子结构的自然频率低于发动机,而粘滑运动频率是第一个整个钻柱的基本频率。令人惊讶的是,相当高的负面观察井下RPM严重HFTO期间,切向加速度一样相同的趋势。转矩变化的振幅逐渐增加整个运行可能是HFTO恶化的一种表现。图25缩放的部分大约数据,这表明大负峰值期间生成HFTO观察15 kft-lbf峰转矩幅值。由于高频,这会消耗疲劳寿命的井下工具的速度更快。执行FFT,找到主导HFTO在149赫兹的频率,也加上轴向运动和轴向载荷。

场连续井下数据显示场景包括纯HFTO和粘滑运动与讨论了叠加HFTO Hohl et al。73年),结果表明,粘/滑动和HFTO相互作用,以及它们之间的差距大频率允许不同的效果和过度增加负载。期间坚持/滑,低频钻头转速往往变化和很高的转速值可以实现滑阶段如果HFTO更不稳定,增加非常快导致过度负荷有关。然而,棒/滑从纯粹HFTO驱动的角度也可以是有益的。坚持阶段减少HFTO-related扭转振幅为零。HFTO增加的速度会非常缓慢,因此,最坏的幅度可能不会达到之前增加振幅再次打断了钻头转速下降和阶段。HFTO稳定性和粘/滑映射图26为特定的场景,不同的缓解策略可以减少相关的现场加载HFTO。虽然策略有时可能会损害实际钻井情况,推导HFTO缓解策略使用的一般规则的结果和观察分析揭示优化钻井效率和罗普的机会。

此外,HFTO不仅是加上粘滑运动也相互作用通过逆向旋转。通过钻井动态数据采样在1600赫兹,HFTOs频率高于400赫兹和向后旋转观察Sugiura和琼斯(31日]。这些HFTOs大多出现振幅较低(10至50 g)与传统的可操纵的电机运行和高振幅(100 - 200 g)从机动RSS。它注意到极端multiaxis高冲击事件(引起温度上升)发生在滑动的开始阶段(0.18赫兹LFTO)和一个非常强大的560 Hz HFTO总是礼物而钻头转速缓慢变化。这个560 Hz的振幅HFTO最低在80 rpm和最高在250 rpm,这是高度相关的旋转速度。在这种情况下,没有观察到HFTO主导频移而钻头转速广泛多样,表明HFTO是独立的主导频率的转速,但LFTO和HFTO之间转换的现象也反复观察。一些障碍完全切换到HFTO LFTO停止时,被认为来自地层的变化与地表参数没有明确的相关性。有趣的的主要频率HFTO LFTO发生时可以切换。HFTO的现象,占主导地位的频率从76赫兹(二阶模式)到114赫兹(四阶模式)表面没有可见的变化参数(转速、钻压、流量等),罗普,和总gamma-ray-count(形成信息)是观察,而LFTO bit-box RPM相当明显。HFTO频移,表明HFTO严重性是高度相关的名义转速。

3.4.3。高频振荡的耦合

增强理解HFTO底部钻具组合,综合分析考虑岩石,铣刀,钻头和底部钻具组合交互提出了由耆那教等。74年从实验室/实地测试和计算机模拟。贾殷等人提出,HFTO bit-induced高频扭转共振的结果在底部钻具组合和发生在更高的频率比以往报道(130赫兹和245赫兹)或底部钻具组合的基本形式,HFTO通常的振幅随转速和钻压,因为额外的电源输入,和他们强烈耦合的轴向振动,发生在同一频率(如图27)。尽管HFTO诱导通过削减行动证实和PDC刀具HFTO期间可以暂时停止,钻头的设计并不显著影响HFTO的发生和PDC刀具损伤的可能性在向后运动HFTO很低。模式最容易表现出HFTO可以确定,预计和占主导地位的模式,它提供了一个基础工具和底部钻具组合设计,避免或承受HFTO。

HFTO耦合和HFAO也观察到Sugiure和琼斯在不同的页岩层机动RSS丁基羟基茴香醚(71年),third-order-mode HFAO的谐波HFTO耦合纵轴被发现。如图28,114 Hz HFTO及其谐波(例如,228 Hz, 342 Hz)是直接耦合的轴向通道,和轴向振动耦合的大小从114 Hz的谐波HFTO高于203赫兹的HFAO三阶模式。由于一些地区遭受最高的加速度在任何模式下数字和扭转和轴向模式,更典型的观察高程度的模式耦合与记录器安装在汽车的传感器部署在电动机潜艇和钻潜艇。在钻潜艇,HFAO与主导频率也可以观察到;然而,轴向振动模式是抑制和切换到扭转模式当扭转模式更兴奋。此外,HFTO-damping效果证实了随钻slow-rotating住房的RSS自由旋转,扭转质量阻尼器,扭转摩擦阻尼器,扭转粘性阻尼器,并结合井下HFTO缓解这些都是可行的选择,这让我们优化表面参数最大罗普和减少底部钻具组合的失败。

4所示。基于高频测量的应用程序

通过使用高频测量,钻动力学的理解是进行更详细的调查。因此,钻井工程师能够获得新的证据监测动态功能障碍,使优化策略。基于模型和理论分析使用高频上面所提到的,方法来减少或利用钻动力提出了提高钻井性能。虽然在某些情况下,我们的目标是最大化动态响应(例如,当引入振荡工具克服井筒摩擦而定向钻井或免费卡管),通常的目标是最小化动态响应限制潜在的破坏性影响的现象在低频和高频范围,导致抵抗旋转,减轻粘滑运动,避免HFTO,等等。此外,通过识别高频数据收集井下,形成可以分类。

4.1。的方法来减少振动

行(72年)提出,小说torque-limiting井下工具可以非常有效地打击bit-induced完整的粘滑运动的严重程度和HFTO,像魏泽福最新torque-limiting工具,这是一个纯粹的机械装置放置在底部钻具组合和扩展/合同针对钻头扭矩。扩展和收缩温和钻头与岩石接触脸,随着钻头开始收缩扭矩,防止一个完整的棍子,然后在滑动(或high-RPM)阶段扩展允许一些仍随着岩石去除的速度增加。这些工具,如PDMs,也作为低通滤波器,可以用来隔离从HFTO敏感的底部钻具组合组件。

PDM用来执行作为一个附加转矩源附近的一些也报道了霍夫曼et al。42]。有些高频数据显示,严重的粘滑运动发生在8³/₄在。和12¹/₄在。垂直段水平井与常规旋转钻井在非常坚硬的岩石时组装(PDC钻头)。随钻在60 rpm 110 kN钻压在表面,严重一点附近的粘滑运动使rpm山峰上升到近500 rpm。将PDM在底部钻具组合后,转速波动平稳,观察到发生的粘滑振动降低到只有15%的时间,刀具的损坏是有效解决。

基于获得的知识在钻头动力学和减少损失案例研究中,一个新的优越的钻头设计与更稳定的切削结构专为减轻横向振动,减少向后旋转挑战海外应用程序设计的损害Oueslati et al。24]。切削深度控制特性放置也增强地址贴/滑动问题,和新一代的刀具与先进的技术和更健壮的钻石表部署提高PDC刀具耐用性和生活。新钻头设计达到30%罗普和26%长跑比旧的设计,如图29日。

虽然可以测量HFTO及其效应进行建模和预测,没有什么办法可以减轻HFTO而仍然保持有效的钻井,一系列组件有一定的质量和刚度属性可以用来隔离从HFTO底部钻具组合的一部分。基于限制潜在的破坏性HFTO振动底部钻具组合的一部分,目的是强大到足以生存HFTO,工具隔离HFTO从低的上部底部钻具组合已经由Heinisch et al。75年和木匠76年]。通过使用这种隔离器工具,修改底部钻具组合,以便关键HFTO模式形状只有重要的振幅在下面部分隔离器工具,防止高频扭转振动向上传播的叔丁基羟基茴香醚和字符串,如图30.。隔离器工具的性能和可靠性显著提高随钻测量和LWD工具,减少损失和顺向失败HFTO所致,因此导致一直在长跑中,减少了不扩散核武器条约》和最小化成本每英尺。

4.2。钻井地层预测

钻井系统动力学的变化由钻头与地层的相互作用将是一个瞬时变化的指示器附近形成特征和属性(57]。传感器附近的钻头,光谱是由底部钻具组合的共鸣和bit-rock交互。的底部钻具组合的持续时间有点运行期间保持不变;因此,频率变化表明地层变化,可以用来识别形成顶部(59]。图31日(77年)显示了原始振动信号(时间序列样本在40 kHz)的正交方向切割砾岩岩石(上)和sand-mudstone(底部),它可以看到砾岩岩石的振动能量比sand-mudstone显然是巨大的。有奇异信号中的高值的信号砾岩岩石,和这些信号可以用于岩性识别。

5。结论

高频动态数据提供的丰富的信息,不存在于低频数据,提供了可能性显著改善振动减缓和控制方法。反过来,这在钻井性能改进提供改善的机会。直到最近,高频数据尚未用于其全部潜力,随着行业才刚刚开始。通过建模、模拟和现场测试的确切来源HFTO仍不清楚;的关系仍需进一步揭示HFTO一些特征比如一点一点侵略性和角位置的叶片。进一步调查详细的机械部件的底部钻具组合和地球物理和地质参数需要岩性的变化。事实上,个人获得精确测量振动组件沿钻或剩余是一个挑战,尤其是在应用程序要求底部钻具组合配置和液压马力在一些干扰最小。先进的传感器、高性能工具、高速传输、新标准校准设备和程序,强大的软件,急需优化的数据处理技术。似乎仍然存在很大差距的研究角度和实用的角度来看,钻动力仍然不可预知的甚至检测不到,甚至原因,影响因素,应用程序状态和控制钻动态空间留给分歧和争端。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家重点研发项目的资助(批准号2019 yfb1504102和2018 yfc0604302)和中国地质科学院基础研究基金(批准号,JYYWF20180501和JKY202008)。

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