一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法

1.本发明涉及石油与天然气工程深井钻井钻柱动力学技术领域，尤其是一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法。


背景技术：

2.在深井超深井的油气资源勘探开发过程中，常会出现由于钻井设备、地质条件和现场操作等原因导致的异常工况，例如钻井操作参数设置不当导致的粘滑振动，从而对转盘、钻杆、钻铤到钻头的钻柱系统造成不同程度的损伤，甚至导致钻井设备报废。如果不能有效评价钻柱系统的粘滑严重程度，即判断当前参数是否能够继续钻井，将会造成钻头磨损严重、设备过早报废、钻井效率低下，导致钻井成本与钻井周期的浪费，甚至影响到钻井设备的财产安全与现场人员的生命安全。
3.在专利ep2462315b1中公开了一种估计钻具组合的井下振动严重性的方法，能够在现场出现粘滑振动工况时为司钻提供指示，但是该方法中用来估计扭转严重性的模型仅仅单纯地考虑了井下钻头处的最大值和最小值之差与两倍地面转速的比值。在spe 177950的会议论文中提出了一种粘滑严重度指标，该指标是用低通滤波过后的钻头最大转速与平均转速之差与地面平均转速的比值来表示，这与专利cn107229599b的发明专利公开的一种检测钻柱扭转振动的方法较为相似。在专利cn109322653b中提供了一种井下钻柱粘滑特征的地面快速评价方法和装置，其地面粘滑指数是利用预设时间间隔内地面转速的平均值乘以扭矩的最大值与最小值的差值，然后除以120倍的地面扭矩的平均值，求得的数值低于0.4时判断为粘滑，高于0.4时判断为涡动，并未给出正常工况以及如何判断异常工况的严重程度。在spe 163420的会议论文中也提到了一项表征粘滑严重程度的指标tse，该指标是用钻头最大转速与平均转速之差与钻头平均转速的比值来表示。在专利cn111379550a中提供了一种用于监测井下动态参数的系统，该专利中利用钻铤最大转速减去最小转速，然后除以钻铤的平均转速作为粘滑严重度的评价指标ss。上述六篇专利与论文中均没有将粘滑振动的粘滞阶段与滑脱阶段分别进行考虑，并且部分专利和论文也未考虑地面转速、钻头转速对钻柱系统粘滑严重度的影响，因此上述的评价指标均具有一定的局限性，无法从粘滑的两个阶段良好的表征振动的严重程度。
4.在专利wo2016081246a1中提出了一种用于减轻粘滑的系统和方法，利用地面控制单元实现对地面驱动单元扭矩值大小的调整控制，减少当前时间相较于上一时刻的粘滑振荡频率。在us9581008b2的专利中提出了一种用于衰减钻柱中的粘滑振动的方法和装置，该方法和装置依靠pi控制器实现钻井机构转速与频率的调整，避免钻柱系统在粘滑振动的频率附近产生大量的扭转能量，从而尽量减少钻柱的粘滑振动情况。这与专利号为cn106545327b的发明专利较为相似，该专利公开了一种智能司钻钻机控制系统，其控制系统旨在为地面钻机提供优化控制功能。在jp5571346b2的专利中，提出了一种粘滑检测装置及检测方法，该发明对具有调节阀或气体调节器的接触滑动部装置进行粘滑检测。专利号为cn109138973b的发明专利公开了一种诊断钻柱黏滑振动的观测方法，将电机驱动参数与
数学模型结合判断井下钻具组合的运动规律与钻柱扭矩大小。上述五项专利可以检测发现粘滑振动，或者通过调整钻井参数抑制粘滑振动，但是均无法实现深井钻井时钻柱系统的井下钻头处粘滑振动的评价。
5.综上所述，目前亟需一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，从而判断钻头是否发生粘滑，然后量化表征粘滑振动的严重程度，推荐出与严重程度相匹配的钻井策略，保障钻井安全与钻井效率。


技术实现要素：

6.针对现有的粘滑振动检测方法存在的上述不足，本发明提供一种钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法。
7.本发明提供的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，步骤如下：
8.s1、基于现场实钻、室内试验和计算机仿真的多种应用场景的不同实际情况，获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数。必需参数包括：规定时间范围内的转盘转速平均值、粘滞阶段钻头转速最大值、粘滞阶段钻头转速最小值、滑脱阶段钻头转速最大值。
9.其中，在现场实钻的应用场景下，通过司钻控制平台和现场粘滑记录装置获取上述必需参数。在室内试验的应用场景下，通过输入电机处的转速传感器和钻头处的转速传感器获取上述必需参数。在计算机仿真的应用场景下，根据转盘、钻杆、钻铤和钻头的参数信息计算钻柱系统的结构参数，所述钻柱系统的结构参数包括转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量、扭转刚度和扭转阻尼，并用来推导钻柱系统的运动微分方程，获取上述必需参数。这三种应用场景方法的结果存在少量差异，但差异均处于可接受的误差范围内，因此，需要根据应用场景、实际需求和实施难度选择具体的方式。
10.s2、建立时间域内转盘的转速与时间关系图，以及钻头的转速与时间关系图，根据这两个关系图判断在规定时间范围内钻头的运动状态。所述运动状态包括稳定状态与粘滑状态。判断稳定状态与粘滑状态的方法包括：
11.钻头的稳定状态特征是，钻头的转速—时间关系表现为，初始一定时间内钻头转速大幅波动，然后钻头转速的波动幅度逐渐减小，最终钻头转速逐渐平稳并接近转盘转速。
12.钻头的粘滑状态特征是，钻头的转速—时间关系表现为，钻头的粘滞阶段与滑脱阶段往复交替出现，粘滞阶段以钻头转速幅值低、波动频率高和偶尔存在负值为特征，滑脱阶段以钻头转速幅值高于转盘转速为特征。
13.当运动状态为粘滑时，明确转速与时间关系中的粘滞阶段和滑脱阶段。
14.s3、分别计算粘滞阶段的严重程度和滑脱阶段的严重程度，将粘滞阶段和滑脱阶段叠加计算得到粘滑振动严重程度的评价指标数值。具体如下：
15.s31、计算粘滞阶段的严重程度，公式如下：
[0016][0017]
式中，sti代表粘滞阶段的严重程度，rpm
bit-stick-max
代表粘滞阶段钻头转速的最大值，rpm
bit-stick-min
代表粘滞阶段钻头转速的最小值，rpm
sur-avg
代表转盘转速的平均值；
[0018]
s32、计算滑脱阶段的严重程度，公式如下：
[0019][0020]
式中，sli代表滑脱阶段的严重程度，rpm
bit-slip-max
代表滑脱阶段钻头转速的最大值，rpm
sur-avg
代表转盘转速的平均值；
[0021]
s33、将粘滞阶段的严重程度sti和滑脱阶段的严重程度sli相加计算得到粘滑振动严重程度的评价指标数值ssvs。即
[0022][0023]
s4、根据上一步骤计算得到的ssvs评价粘滑振动的严重程度；计算结果以1为界限，ssvs在0～1之间代表钻头为稳定状态，大于1代表钻头发生了粘滑振动；ssvs值越大，代表粘滑振动越严重。
[0024]
s5、在不同的钻井操作参数(例如钻压和转速)条件下，重复步骤s1-s4，得到不同钻井操作参数条件下的粘滑振动严重程度评价指标数值；进而根据不同钻井操作参数条件下的评价指标数值与变化趋势，调整钻井策略，得到最佳的钻井操作参数。
[0025]
根据不同钻井操作参数条件下的评价指标数值与变化趋势，调整钻井策略，得到最佳的钻井操作参数，具体方法是：
[0026]
根据评价指标的数值大小和表现形式划分不同的振动状态并采取相应的操作。
[0027]
当评价指标数值ssvs小于1时，钻头能够稳定运转，保持当前钻井操作参数不变。
[0028]
当评价指标数值ssvs为1～1.25时，钻头表现为低频与高频混合的扭转振荡，钻柱系统受到轻微影响，向稳定运转状态下的钻井操作参数小幅调整即可。
[0029]
当评价指标数值ssvs为1.25～1.7时，钻头表现为完全粘滑，需要注意钻井设备安全并向稳定运转状态下的钻井操作参数方向进行调整。
[0030]
当ssvs大于1.7时，钻头表现为完全粘滑和高频扭转振荡相混合的状态，影响到钻井设备的财产安全与现场人员的生命安全，需要停止钻进，检修设备确认无问题之后采取稳定运转状态下的钻井操作参数重新钻进。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0032]
(1)本发明适用于油气井工程的多种应用场景。本发明提出的方法可以根据现场实钻、室内试验和计算机仿真的不同实际情况，采取适宜的方式获取需要的参数，最终评价钻头粘滑振动的严重程度。
[0033]
(2)本发明能够评价钻头的稳定状态和粘滑状态，并量化表征钻头的粘滑振动严重程度。评价指标的结果以1为界限，数值在0～1之间代表钻头稳定运转，数值大于1代表钻头粘滑振动。
[0034]
(3)本发明充分考虑了钻头粘滑振动的粘滞阶段和滑脱阶段。粘滞阶段阐明钻头角速度的波动范围，侧重体现钻头齿的磨损；滑脱阶段阐明钻头超越转盘转速的大小，侧重体现钻头的崩齿。
[0035]
(4)本发明能够根据钻井工况调整钻井策略，提供适宜的钻井操作参数。借助评价指标定义不同的振动状态，采取包括维持原状、调整参数和停钻检查在内的多种钻井策略，保障钻井安全与高效。
[0036]
(5)本发明提出的粘滑振动严重程度的评价指标结构简单，容易理解，便于实行。在不同应用场景下，通过采用相应的设备、传感器和公式均可获得相应参数并进行粘滑振动严重程度的评价。
[0037]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0038]
图1、本发明的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法的流程图。
[0039]
图2、初始启动阶段钻头逐渐进入稳定状态的示意图。
[0040]
图3、钻头的粘滑状态示意图。
[0041]
图4、粘滑振动严重程度的评价结果图。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]
如图1所示，本发明提供的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法，包括五个步骤：(1)基于实际应用场景，确定评价粘滑的必需参数；(2)建立转速-时间关系，判断钻头的运动状态；(3)计算粘滞阶段和滑脱阶段的严重程度，(4)利用评价指标量化表征粘滑振动的严重程度；(5)根据评价指标显示的粘滑振动严重程度的结果，适当调整钻井策略，优化钻井操作参数。
[0044]
下面结合顺北区块某5000m深井的钻柱动力学仿真模型，对本发明的方法实施应用具体介绍如下：
[0045]
(一)基于现场实钻、室内试验和计算机仿真的多种应用场景的不同实际情况，获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数。其中，获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数包括规定时间范围内的转盘转速平均值、粘滞阶段钻头转速最大值、粘滞阶段钻头转速最小值和滑脱阶段钻头转速最大值。三种获取参数的方式可以选择其中一种使用，三种方式的实际应用举例如下：
[0046]
实施例1中，基于现场实钻的数据获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数，通过司钻控制平台获取规定时间范围内的转盘转速平均值，通过粘滑记录装置得到规定时间范围内的粘滞阶段钻头转速最大值、粘滞阶段钻头转速最小值和滑脱阶段钻头转速最大值，例如输入钻压160kn和转速60r/min的条件下，借助司钻控制平台在600s时间范围内得到转盘转速平均值rpm
sur-avg
为58r/min，借助粘滑记录装置在600s时间范围内得到粘滞阶段钻头转速最大值rpm
bit-stick-max
为53r/min，粘滞阶段钻头转速最小值rpm
bit-stick-min
为-6r/min，滑脱阶段钻头转速最大值rpm
bit-slip-max
为106r/min。
[0047]
实施例2中，通过室内试验的方式获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数，通过输入电机处的转速传感器获取规定时间范围内的转盘转速平均值，通过钻头处的转速传感器得到规定时间范围内的粘滞阶段钻头转速最大值、粘滞阶段钻头转速最小值和滑脱阶段钻头转速最大值，例如钻压160kn和转速60r/min的条件下，借助输入电机处的转速传感器，例如将电流信号或电压信号转换为转速信号，或者直接提取转速信息，由此在600s时间
范围内得到转盘转速平均值rpm
sur-avg
为57.5r/min，借助粘滑记录装置在600s时间范围内得到粘滞阶段钻头转速最大值rpm
bit-stick-max
为52.9r/min，粘滞阶段钻头转速最小值rpm
bit-stick-min
为-6.5r/min，此外滑脱阶段钻头转速最大值rpm
bit-slip-max
为105.95r/min。
[0048]
实施例3中，采用计算机仿真，根据转盘、钻杆、钻铤和钻头的参数信息计算钻柱系统的结构参数，计算结果如下表1所示。所述钻柱系统的结构参数包括转盘、钻杆、钻铤和钻头的转动惯量、扭转刚度和扭转阻尼，并用来推导钻柱系统的运动微分方程，见公式(1)，最终获取上述必需参数。
[0049][0050]
式中：j
rs
，j
dp
，j
bh
，j
bb
分别为转盘，钻杆，bha和钻头的转动惯量，kg
·
m2；；分别为转盘，钻杆，bha和钻头的角加速度，rad/s2；k
rd
，k
db
，k
bb
分别为转盘与钻杆，钻杆与bha，bha与钻头之间的弹簧扭转刚度，n
·
m/rad；θ
rs
，θ
dp
，θ
bh
，θ
pb
分别为转盘，钻杆，bha和钻头的角位移，rad；c
rd
，c
db
，c
bb
分别为转盘与钻杆，钻杆与bha，bha与钻头之间的弹簧扭转阻尼，n
·m·
s/rad；分别为转盘，钻杆，bha和钻头的角速度，rad/s；
[0051]
表1钻柱系统结构参数
[0052][0053]
上述三种实施例中，基于现场实钻、室内试验和计算机仿真的多种应用场景的不同实际情况，获取评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数，可以根据实际情况，采取适宜的方式获取需要的参数，上述三种方式结果存在差异，现场实钻考虑了真实钻井工况条件下的结果，最符合钻井现场工况，但是考虑到设备成本、实施难度等方面的影响，实施要求较为苛刻。室内实验是简化了例如井壁碰撞摩擦的次要影响因素之后得到的结果，操作较为便捷，能够反映钻头粘滑振动的现象，与真实井下条件存在少量误差。计算机仿真是理论模型的计算结果，实施较为轻松，获取结果迅速，存在少许误差，能够有效反映钻头粘滑振动的严重程度。但是上述三种方式结果之间的误差值的差异均处于可接受的误差范围内，对最终评价和优化结果影响较小，可以忽略。因此在实际应用中可以根据实际情况选择一种方式获得评价钻头粘滑振动严重程度的必需参数。
[0054]
(二)建立时间域内转盘的转速-时间关系和钻头的转速-时间关系，判断在规定时间范围内钻头的运动状态。当运动状态为粘滑时，明确转速-时间关系中的粘滞阶段和滑脱阶段。
[0055]
如图2所示，图2为初始启动阶段钻头逐渐进入稳定状态的示意图。该示意图的输入条件为钻压160kn和转速100r/min。钻头的稳定状态特征是，钻头的转速-时间关系表现为，初始一定时间内钻头转速大幅波动，然后钻头转速的波动幅度逐渐减小，最终钻头转速逐渐平稳并接近转盘转速。
[0056]
如图3所示，图3为钻头的粘滑状态示意图。该示意图的输入条件为钻压160kn和转速60r/min。钻头的粘滑状态特征是，钻头的转速-时间关系表现为，钻头的粘滞阶段与滑脱
阶段往复交替出现，粘滞阶段以钻头转速幅值低、波动频率高和偶尔存在负值为特征，滑脱阶段以钻头转速幅值高于转盘转速为特征。
[0057]
(三)分别计算粘滞阶段的严重程度和滑脱阶段的严重程度，将粘滞阶段和滑脱阶段叠加计算规定时间范围内的粘滑振动的严重程度，得到粘滑振动严重程度的评价指标数值。
[0058]
根据公式计算所述粘滞阶段的严重程度，利用该式阐明粘滞阶段钻头角速度的波动范围，表征钻柱系统的疲劳损伤和钻头齿的磨损情况。输入条件为前述的钻压160kn和转速60r/min，此时rpm
bit-stick-max
为52.16r/min，rpm
bit-stick-min
为-6.94r/min，rpm
sur-avg
为57.22r/min。由公式求得sti约为0.513。
[0059]
根据公式计算所述滑脱阶段的严重程度，利用该式阐明钻头角速度超越转盘转速的大小，表征钻柱系统各个结构连接处局部区域的应力集中和钻头的崩齿情况。输入条件为前述的钻压160kn和转速60r/min，此时rpm
bit-slip-max
为105.9r/min，rpm
sur-avg
为57.22r/min。由公式求得sli约为0.85。
[0060]
将粘滞阶段的严重程度和滑脱阶段的严重程度叠加得到规定时间范围内粘滑振动严重程度的评价指标。在钻压160kn和转速60r/min输入条件下，将sti和sli的结果相加，求得规定时间范围内粘滑振动严重程度的评价指标ssvs，在该输入条件下，粘滑振动严重程度的最终结果约为1.363。
[0061]
(四)利用评价指标量化表征粘滑振动的严重程度，计算结果以1为界限，0～1之间代表钻头为稳定状态，大于1代表钻头发生了粘滑振动。评价指标的计算结果越大，代表粘滑振动越严重。
[0062]
本实施例中在钻压160kn和转速60r/min输入条件下，利用评价指标量化表征粘滑振动的严重程度为1.363，大于1，代表钻头发生了粘滑振动。
[0063]
(五)输入不同条件的钻井操作参数(例如钻压和转速)，重复前述全部步骤得到多组输入条件下的评价指标数值，根据评价指标的量化数值与变化趋势，适当调整钻井策略，选用适宜的钻井操作参数。
[0064]
将输入条件扩展为钻压120kn至220kn，梯度20kn，转速40r/min至100r/min，梯度20r/min，重复前述步骤1至步骤4的操作，得到多组输入条件下的评价指标数值，如图4所示，图4为粘滑振动严重程度的评价结果图。
[0065]
根据评价指标的数值大小和表现形式划分不同的振动状态并采取相应的操作，当数值小于1时，即图4中背景为空白的评价指标，钻头能够稳定运转，保持当前钻井操作参数不变。当数值为1～1.25时，即图4中背景为灰色斜线的评价指标，钻头表现为低频与高频混合的扭转振荡，钻柱系统受到轻微影响，向稳定运转状态下的钻井操作参数小幅调整即可。当数值为1.25～1.7时，即图4中背景为浅灰色填充的评价指标，钻头表现为完全粘滑，需要注意钻井设备安全并向稳定运转状态下的钻井操作参数方向进行调整。当数值大于1.7时，即图4中背景为深灰色填充的评价指标，钻头表现为完全粘滑和高频扭转振荡相混合的状态，影响到钻井设备的财产安全与现场人员的生命安全，需要停止钻进，检修设备确认没有
问题之后采取稳定运转状态下的钻井操作参数重新钻进。
[0066]
因此，通过本发明方法能够直观的评价钻头粘滑振动的严重程度并提供相应的优化方法，以图4中为例，应尽量使用中低钻压配合中高转速从而保障钻头稳定和钻井安全，通过使用该方法预期有效抑制甚至避免粘滑振动90％以上，机械钻速提升30％，钻井周期缩短30％，钻井成本降低30％。
[0067]
综上所述，本发明提供的钻头粘滑振动严重程度的评价及优化方法能够适用于不同的应用场景，充分考虑粘滞阶段与滑脱阶段严重程度的侧重点，量化表征钻头的粘滑振动严重程度，评价当前钻井操作参数是否安全、能否继续钻井，以及如何调整钻井策略，提供适宜的钻井操作参数，最终指导现场钻井安全高效地进行。
[0068]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。