钻头破岩振动低频特征室内实验研究

2014-01-01杨全枝张晓斌于小龙张文哲

钻探工程 2014年10期

杨全枝，张晓斌，于小龙，张文哲，雷茹

(1．陕西延长石油〈集团〉有限责任公司研究院，陕西西安710075;2．长庆油田采油三厂，宁夏银川750006)

0 引言

石油钻井过程中，钻头破碎井底岩石时不可避免会产生振动，早在1963年，Deily等人利用由钻头破岩过程中产生的振动波作为震源，开始研究钻具振动的井下测量技术，并研制了相应的随钻记录仪器，随着振动检测和信息处理技术的发展，现场对钻头破岩振动现象的研究不断深入，使其在油气田的随钻地震勘探［1］、随钻地质录井［2］、储层裂缝检测［3］、邻井钻头趋近防碰监测［4，5］等方面得到了应用。

国内郭学增、高岩对钻井取心岩样进行压入硬度及模拟剪切实验，发现不同岩石具有固有声发射频率，大部分在5 kHz以上，且与破岩方式关系不大，岩样成分越复杂，频率谱成分越丰富，岩样越硬，频率越高。通过大量室内实验和实际频谱资料分析得出钻头破岩振动信号在0～200 Hz频段为钻头信息频段，5 kHz以上频段为地层信息频段，和岩石本身的物理特性有关，但该段高频信号能量相对于低频段机械波信号比较弱，且在传播过程中衰减比较严重，对其采集、识别对相关设备和信号处理手段提出了较高要求，200 Hz～5 kHz频段是钻机和诸多井场装备激发的音频振荡区［6］，到目前为止，对这一频段没有做深入探讨。本文主要研究钻头破岩过程中，不同岩性的岩石产生的振动信号在这一低频段的特征。

1 实验过程

选取不同岩性的岩样(花岗岩、砂岩、灰岩)进行微钻实验，实验状况如图1所示。使用微钻头在不同的钻压下破碎岩石，在岩石表面不同的位置(距钻头20、40、60 cm)布设加速度传感器形成测点，采集相应的数据。信号采集系统由北京波谱加速度振动传感器和六道数据采集仪组成，采样率设定为4000 Hz。实验所用钻头和实验后岩样如图2所示。

2 试验结果分析

自然状态下采集系统时程曲线如图3所示，从图3中可以看出，数据采集系统在微型钻机未启动时，各采集通道工作状态良好，信号幅值大小代表了自然噪声情况，各通道变化很小，在±0.004范围内，说明采集系统各监测传感器具有很好的一致性。

图1 钻头微钻实验振动信号采集

图2 实验用钻头和实验后的岩样(灰岩)

图3 钻机未启动的时程曲线(从上到下曲线分别对应1号、2号和3号传感器)

试验时先使系统空载(钻头不破碎岩石样品，不施加钻压，以额定钻速55 r/min运行)，采集加速度时程曲线数据和其频谱曲线如图4所示，此信号是钻机系统由于本身正常工作引起的机械振动。

由图4中可见，钻机系统空载时，时程曲线幅值较钻机未启动时信号幅值大，振动频率主要分为800～1200、1600～2000 Hz两个频率段，在处理数据时需要提前进行滤波处理，以消除对信号识别时的干扰。

分别将花岗岩、砂岩、石灰岩岩样进行微钻实验，实验时以额定转速，施加不同钻压(20、40、60、80 N)破碎岩石，采集系统稳定时的破岩信号如图5所示(砂岩，传感器距钻头60 cm)。对采集的原始信号进行800～2000 Hz滤波，实验采集的时程曲线信号经滤波后频谱结果如图6所示(钻压40 N)，统计结果如表1所示。

从图5中可以看出，随着钻压的增大(20～80 N)钻头破碎同种岩性的岩样(砂岩)产生的时域振动信号幅值不断增大，说明钻压影响破岩振动信号强度的大小，钻压越大，信号强度越大。

图4 钻机系统空载时的时程曲线和频谱曲线

从图6中可以看出，钻头破碎不同岩性的岩样产生的振动信号在低频段主频是不同的，花岗岩属于岩浆岩(火成岩)，岩性致密，硬度高，在钻头破碎过程中低频段信号呈现多峰状频谱，毛刺较多，其主频在300 Hz左右，砂岩与灰岩同属于沉积岩，较花岗岩岩性相对疏松，强度较低，在钻头破碎过程中低频段信号频谱光滑，其主频砂岩在400 Hz左右，灰岩在450 Hz左右，经过大量的试验数据分析，可以得出岩石岩性越致密，岩石强度越大，破岩时产生的低频信号主频越低。从表1的统计数据可以看出，同一岩性不同钻压下，钻头破岩低频特征信号变化不大，不随钻压钻速的改变而改变，钻头破岩低频特征与岩石本身的属性即岩石的岩性、强度特征有关，钻压的大小只改变信号的强度，而不影响信号的频率特征。