杨明清 李三国 王成彪

1．中国地质大学（北京）工程技术学院 2．中国石化石油工程技术服务有限公司测录井事业部 3．中国石化石油工程技术研究院

在石油钻井中，钻头是破岩的主要工具之一，其运行状况直接影响着钻井施工的进度［1］。钻头扭矩是钻井现场采集的重要参数之一［2］，钻井操作人员往往依靠扭矩参数的变化来判断井下钻头运行状况［3］。一般来说，当扭矩曲线波动幅度较小时，表示井下钻头工作正常；当扭矩曲线波动幅度较大时，表示钻头寿命即将终结［4］，在这种情况下继续钻进，会严重影响机械钻速，尤其在深井、超深井中，不利于提速提效，而且有可能发生钻头掉入井内的严重事故，需要把留在井内的钻头打捞出来，不仅耗费大量的财力物力，甚至可能井眼报废，造成巨大的损失［5］。

多年来，利用该方法，多次成功预测、监测钻头寿命终结，为安全钻井做出了较大的贡献［6］。但是，该方法存在测量位置不固定、无法测量力臂、无法准确赋予扭矩初始值等缺陷，造成判断扭矩异常时没有统一的标准，往往出现预测不及时及误判等情况［7］。为此，提出了监测“扭矩波动系数”，代替现有监测扭矩绝对值的方法，判断钻头运行状况，能有效消除现有方法的弊端，提高监测的准确性。

1 现有钻头运行状况监测方法的不足

钻机可分为两类，机械传动钻机和电传动钻机。当使用机械传动钻机时，测出钻进时方钻杆的力及力臂，二者乘积即为方钻杆扭矩，用方钻杆扭矩来代替钻头扭矩；当使用电传动钻机时，用电源线电流的大小直接反映钻头扭矩的大小，电流增大意味着钻头扭矩增大，反之亦然。这两种方法在监测钻头运行状况时，都存在无法直接测量钻头扭矩值及结果不够准确等问题。

1．1 无法直接测量钻头扭矩值

目前，测量钻头扭矩的传感器有两种，使用机械传动钻机时，扭矩测量为压力型传感器，使用电传动钻机时，扭矩测量为电流型传感器［8］。使用压力型传感器时，测量的只是压力值，而不是扭矩值。理论上，扭矩是力与力臂的乘积，力臂一般为固定值，只是测量出力的值，二者相乘，就可以得到扭矩值。在实际测量中，压力传感器的类型有多种多样，不同的传感器安装在钻机上的位置不同，一般安装在转盘顶丝、万向轴、传动链条下面等位置，有些测点的位置无法测量其力臂的大小，而且不同的操作人员，所获取的力臂值各不相同，导致扭矩值不够准确。使用电流型传感器时，测量的是钻机传动电缆的电流值，根据电流值的大小来判断钻头扭矩的大小，操作人员无法获取不同电流下准确的扭矩值，只能根据经验估算一个初始扭矩值，根据电流变化情况判断钻头扭矩的增加或减小，进而监测钻头运行状况。不同扭矩传感器、不同钻机、不同的操作人员，所赋予的初始扭矩值往往各不相同，没有统一的标准，造成扭矩值不够准确。

1．2 钻头运行状况监测结果不够准确

由于测量的扭矩值大小不一，在判断钻头运行状况时没有标准。现有的监测方法一般从两个方面判断钻头运行状况，一是设置一个钻井扭矩参数门限值，当扭矩值低于该门限值时，认为是安全钻进，当扭矩值超过该门限值时，认为钻头寿命即将终结，事实上，在钻进过程中，无法直接测量钻头扭矩［9］，而是测量井口处钻柱的扭矩，随着井深的增加，钻具逐渐增长，钻具与井壁的摩擦力逐渐增加［10］，加之井壁的不稳定性，即使钻头扭矩不增加，井口处钻柱的扭矩仍会增加［11］。二是监测扭矩的波动频率，采用人工监测的方式，当发现扭矩曲线波动较大时，即认为钻头寿命即将终结［12］。

由此看来，当钻头使用效果变差时，虽然钻头扭矩值增加了，但不同井、不同井段、不同操作人员所获得的扭矩值的增加幅度却大小不一，此时用设置门限的方式判断钻头运行状况，往往造成误判。其实，不管扭矩值的大小如何，当钻头寿命即将终结时，所测得的扭矩值会明显偏离扭矩值的主要趋势值，变得非常分散，从感官上，扭矩曲线“抖动”非常厉害。在数学上，一般用标准差来衡量一组数据中随机变量与其平均值之间的偏离程度，标准差大则表示该组数据波动比较严重；该组数据的平均值则反映了这组数据的整体趋势，该组数据标准差与平均值的比值，即反映了该组数据分散的程度。在钻井中，每一个扭矩值就是一个随机变量，求出一组扭矩数据的标准差及平均值，二者比值即可反映出钻头的运行状况。

2 “扭矩波动系数”的监控方法

2．1 扭矩值标准差的计算

在实际钻井中，每采集一个扭矩值，随即计算出该测点以上一定范围内扭矩值的标准差。

式中σi为某测点扭矩值的标准差，kN·m；Wi为某测点的扭矩值，kN·m；珨Wi为某测点扭矩及前l个点扭矩的平均值，kN·m；i为扭矩测量点数，i＝1，2，3，……；l为i测点以上测点的个数。

2．2 扭矩平均值的计算

由于不同井、同一口井不同井段扭矩的绝对值大小不一，所以其标准差也是大小不一，标准差的大小不但取决于扭矩值的分散程度，还取决于扭矩趋势值的大小，为此，计算出一定范围内扭矩的平均值，来衡量扭矩趋势值的大小。

在同一口井中，l应取同一个值。

2．3 “扭矩波动系数”的计算

由于现有的监测钻头运行状况的方法存在一定的缺陷，为此，引入“扭矩波动系数”的概念，不需增加软硬件，只需改善监测方法，监测钻头运行状况，“扭矩波动系数”为：

式中ki为“扭矩波动系数”，无量纲。

σi的值反映了扭矩曲线绝对波动幅度值的大小，珨Wi的值反映了扭矩曲线基值的大小，二者的比值反映了扭矩曲线相对波动幅度值的大小，该值消除了由于不同扭矩传感器、不同钻机、不同的操作人员造成的影响，能更加客观地反映钻头运行状况。在实际钻进中，每测得一个新扭矩值Wi，根据公式（3），即可计算得出一个新的“扭矩波动系数”ki，根据“扭矩波动系数”ki来监测井下钻头运行状况。l为计算Wi、珨Wi及σi的测点的个数，l的值应在一定的范围内，太大则ki的值不够灵敏，影响钻头运行状况监测效果，太小则个别波动较大的Wi造成误判。现有的采集频率为每秒60点，所以l取20左右为宜，即监控20s内扭矩的离散程度。在钻进过程中，每采集一个扭矩值，即可获得一个新的Wi、珨Wi及σi。

2．4 “扭矩波动系数”值的确定

在钻进过程中，监测ki值的大小，即可监测钻头运行情况。理论上，当扭矩值无波动时，ki的值为零，随着扭矩值波动的加剧，ki值随之增加。对以往16口井钻头终结时扭矩曲线进行分析得出，当ki＞0．25时，表示井下钻头寿命即将终结；当ki≤0．15时，表示井下钻头工作正常；当0．15＜ki≤0．25时，表示井下钻头的使用状况变差。在钻井现场，Wi为计算机实时连续自动采集的参数，可将“扭矩波动系数”的计算方法编成小程序，每采集一个Wi参数，可实时获取相应的珨Wi和σi，即可用σi进行钻头运行状况监测。

3 现场试验

图1 T1井扭矩曲线图

为了验证该方法监测效果，选取T1、T2两口井进行了现场试验，每口井都采用两种监测方法，一种采用传统的设置扭矩参数门限值的方法，另一种采用设置“扭矩波动系数”门限值的方法。图1、2分别为T1井、T2井的某井段钻进扭矩曲线图，图1反映T1井扭矩值的趋势在30±14kN·m；图2反映T2井扭矩值的趋势在42±17kN·m。从曲线分析，无论扭矩值的大小，还是扭矩波动幅度大小，T2井都比T1井严重，似乎T2井的钻头更接近终结。

图3、4分别为T1井、T2井相应井段 “扭矩波动系数”曲线图。可以看出，T1井明显大于T2井，经计算可知，T1井“扭矩波动系数”值约为0．297，T2井“扭矩波动系数”值约为0．155。由“扭矩波动系数”值可以看出，T1井钻头更接近于寿命终结。经起钻验证，T1井所使用的钻头牙轮已经松动，如果再不更换钻头，很可能造成钻头牙轮掉入井里的事故，而T2井的钻头基本完好，还可以继续使用。

图3 T1井扭矩波动系数曲线图

图4 T2井扭矩波动系数曲线图

4 结论与建议

1）现有的钻头扭矩运行状况监测方法受不同扭矩传感器、不同钻机、不同的操作人员影响较大，往往造成误判，“扭矩波动系数”的引入，能够有效避免该影响，更加准确监测钻头运行状况。

2）该方法不需要增加压力传感器等硬件，也不需要对钻机等进行改造，不需要增加人员成本，只需在现有采集扭矩参数的基础上进行简单的数据处理即可，可在所有的钻井现场推广使用。

3）若能增加钻井扭矩数据采集频率，配合转盘转速、大钩负荷、立管压力等参数，并通过快速频谱分析、傅式积分变换，可实现井下钻具振动监测，会增加钻头运行状态监测效果。在近钻头处采集钻头扭矩信息，将成为扭矩测量的发展方向。

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