[发明专利]一种监测钻柱扭转振动的方法

说明书

本发明提供一种监测钻柱扭转振动的方法，包括：步骤1：基于钻具组合参数、钻柱力学性质参数计算得到钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗；步骤2：根据所述钻柱的特性阻抗以及井底钻具惯量建立关于粘滑频率的相关函数，计算得到钻柱的理论粘滑频率；步骤3：根据所述钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗及理论粘滑频率，结合带通的滤波转矩计算出钻头的动态角速度；步骤4：根据所述的钻头的动态角速度经过低通滤波，然后再进行相应计算，得到钻柱的扭转振动强度指数。本发明方法较为简单而准确地能够为井下振动情况进行量化评价。

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种监测钻柱扭转振动的方法。

背景技术

钻井工程是石油天然气勘探开发的重要手段，而钻柱是井下工作的重要工具，是井底钻头与地面钻井设备的主要纽带。钻柱在钻井的过程中，由于石油钻井的工作环境非常复杂，钻柱与井壁、钻井液和底层及钻头之间相互作用产生摩擦引起钻柱的振动，这被认为是一些问题的主要来源，例如过度磨损，过早的刀具故障以及较差的钻孔速率等一系列问题，大大降低作业效率，增加其成本。

在钻井过程中，钻柱的主要运动是向下旋转运动，并伴随着横向振动、纵向振动和扭转振动等多种振动。横向振动是由于地层原因或者井眼轨迹原因导致钻头吃入不足，从而造成钻柱不沿着井眼中心旋转，产生巨大的离心力，使钻柱与周边岩壁产生碰撞，严重影响了钻井效率。轴向振动是由于井底钻头轴向跳动而与地面脱离接触而产生的。而扭转振动是由于钻头在钻进瞬间的转矩能量不够满足破岩转矩时，钻头将处于停钻状态，井底钻具惯量在顶驱的作用下继续旋转，当井底钻具惯量扭转积累的能量足以破碎岩层时，积累的能量瞬间释放，此时钻头将于数倍顶驱的转速旋转，这对井下钻具组合产生了巨大的破坏作用，而当下对于扭转振动的监测技术还不是很成熟。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种监测钻柱扭转振动的方法。

一种监测钻柱扭转振动的方法，包括以下步骤：

步骤1：基于钻具组合参数、钻柱力学性质参数计算得到钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗；

步骤2：根据所述钻柱的特性阻抗以及井底钻具惯量建立关于粘滑频率的相关函数，计算得到钻柱的理论粘滑频率；

步骤3：根据所述钻柱的扭转柔量、钻柱的特性阻抗及理论粘滑频率，结合带通的滤波转矩计算出钻头的动态角速度；

步骤4：根据所述的钻头的动态角速度经过低通滤波，然后再进行相应计算，得到钻柱的扭转振动强度指数。

进一步地，如上所述的方法，步骤1中，所述钻柱的扭转柔量为：

上式中，C为总的钻柱扭转柔量，l_j为第j节的钻柱长度，I_p,j为第j节的钻柱横截面极矩，G为钻柱的剪切弹性模量；

所述钻柱的特性阻抗为：

上式中，I_p为钻柱的横截面极矩，ρ为钻柱密度，G为钻柱的剪切弹性模量。

进一步地，如上所述的方法，步骤2中，所述钻柱的理论粘滑频率为：

上式中，J_b为井底钻具惯量，l为钻杆长度，c为钻柱的扭转波传播速度。

进一步地，如上所述的方法，步骤3中，所述钻头的动态角速度为：

上式中，T_bp为带通滤波转矩，l为钻杆长度，r_d为顶驱的反射系数，k为钻柱的波数；