钻柱振动信号在线监测及应用

    钻柱振动信号是一种信息含量丰富、成分复杂的振动波，它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的振动，钻柱与井壁相互碰撞及粘卡—释放引起的振动等。钻柱振动信号的特征与钻具结构、钻具的运动状态、所受载荷特性等动力学特性有关，其信号特征反映了井下钻具的工作状态及所破碎的岩石特性。现场经验丰富的司钻经常通过手握刹把的感觉和钻进时的声音来判钻具的工作状态和所钻岩石的类型，因此，在钻柱上安装一个类似听诊器的高灵敏度振动传感器，对钻柱振动信号进行在线监测和分析，不但可以实时识别井下钻具的工作情况，预防钻柱和钻头的早期损坏［6 －9］，而且可以识别地层的岩性状况［1 －2］。

    对钻具振动测量方面的研究起源于上世纪七十年代，法国的 Elf Aquitaine 公司在 1970 年研制出了称为瞬态录井( Snap Log) 的地面钻柱测振装置［1］，但该装置缺乏可信度。1984 年 ARCO 公司研制出了高级钻柱分析与测量系统［5］———ADAMS，该系统的振动测量接头安装在顶部驱动系统的下端或方钻杆的上部，实现了钻柱的纵向和扭向振动信号的测量，并通过对振动信号的分析处理来判别钻具的工作状态。近年来，随着 MWD/LWD 随钻录井技术的不断发展和测量仪器性能的改进，国外的研究重点放在了井下振动信号的测量，测量仪器包括加速度传感器、应力计、磁力计、井底钻压和扭矩等［8 －10］。

    韩春杰等［3 －4］对钻具的振动问题进行了大量研究，取得了许多研究成果，但主要集中在对钻柱理论模型的研究，通过对模型的分析计算来了解钻具的振动情况，这与井下钻具的实际情况存在较大差别。高岩等［1 －2］在钻具振动检测与分析方面开展了颇有成效的研究，研制出了用于地面的钻柱振动信号采集装置，并进行相关实验分析。该研究的重点是对纵向高频振动信号测量和分析，主要是用于地层岩性的识别。

    地面和井下测量各有优缺点。井下振动信号能反映钻具在井下的真实工作状态和受力状况，但由于数据量较大，不能实时地把所有信息传输到地面，只能在井下存储，起钻后利用专用软件进行分析，这大大限制了井下测量信息的应用。地面测量方法简单，易于大量信息的传输和实时分析，可用于对井下钻具状态进行在线识别和诊断，具有较强的现场实用性。Macpher-son 等［6］通过现场试验研究认为，地面和井下测量的钻柱振动除了衰减和少量频段振动波形有所区别外，绝大部分波形基本相同。因此，可以利用地面测量的振动信号来识别井下钻具的工作状况。