[发明专利]基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发中对井底钻头动态振动的监测装置与方法，尤其适用于装有随钻测量仪的钻进操作中，具体地讲是一种基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法。

背景技术

在深部地层的钻进中，随着井深的增加，井身结构及地层特性变复杂，岩层的研磨性增强可钻性变差，由此引发的钻头处的粘滑振动剧烈。钻头的粘滑振动是指钻头因破岩扭矩不足而停止转动，但是井口转盘在外力驱动下继续转动，使得钻柱扭曲并积蓄能量，待钻柱所积扭矩达到钻头破岩所需扭矩后卡住的钻头突然释放，释放后的钻头绕钻柱轴线顺时针或逆时针反复加速与减速。

粘滑振动致使钻柱及下部钻具疲劳加剧，钻头经过扭矩积聚到突然释放，钻头释放后与井壁形成巨大的冲击，常造成钻具提前失效、井下精密仪器损坏、机械钻速降低、钻井成本升高等问题的出现，同时还常造成钻井质量的降低，抑制粘滑振动等钻头的异常振动行为对钻井操作具有重要意义。

为有效地控制钻进中的粘滑振动，需要对钻头的粘滑振动进行监测，现有关于粘滑振动的监测主要包括以下两种方法：

1.通过井口转盘动态参数（如转速或扭矩）的波动对粘滑振动进行监测，例如在井口设定转盘扭矩反馈控制系统完成监测。然而，由于井底钻头距地面较远，钻头处的粘滑振动响应在经钻柱传至井口后会出现失真，特别是由于钻柱转动过程中存在的磨阻对转速与扭矩的传递影响极大。同时，粘滑振动信号由于长距离的传递还会存在一定的延滞。对深部地层的钻进操作而言，这种方法的监测精度低，适应性差；

2.在近钻头处的某一截面设置最少两个加速度计用于测量不同方向的切向加速度分量，合成计算扭转加速度从而评判井底钻头的粘滑振动。这种方法对传感器的安装要求较高且操作复杂，多个信号的同时传递增加了操作难度，同时井下剧烈的振动对需要精确定位的传感器的测量结果影响极大。

随钻测量技术结合机械元件与电子元件，对井下信号进行编码与解码，然后通过泥浆脉冲遥测技术等方法将井下信号传至地面，实现对钻进的实时测量。粘滑振动作为钻头的异常振动行为，可通过转速的波动进行判别，在井底设置转速监测装置，借助随钻测量钻具对信号进行处理与传递。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述难点，特提出一种基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置及方法，用以建立一种更有效的钻头粘滑振动监测方法，即使在下部钻具振动剧烈的情况下也能精确地测量粘滑振动信号，同时通过所述的装置实现所述的方法，并兼容随钻测量仪或旋转导向钻具等井下工具。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于随钻测量的钻头粘滑振动监测装置，由传动短节、扶正器、轴承、稳定单元、信号单元、永磁体组成，其特征在于：所述的监测装置安装于随钻测量钻具与钻头之间，上端直接与随钻测量钻具相连，下端与钻头直接连接；所述稳定单元包括伸缩块、硬质合金柱、挡块、弹簧、密封圈，伸缩块为柱状体，其底部设有用于防脱落的台肩，中心设有用于设置弹簧的弹簧孔，挡块通过螺纹固定于扶正器上，伸缩块与挡块间设有弹簧用于将伸缩块沿径向外推，伸缩块用于稳定井壁的一端镶嵌有硬质合金柱，为防止钻具起下钻过程中因伸缩块卡住井壁而引起卡钻等事故，弹簧刚度不宜太大，密封圈用于防止井眼环空中的泥浆进入稳定单元，密封圈可为O形密封圈；所述信号单元包括电源、线缆、传感器、无线模块，电源通过线缆与传感器连接，传感器通过线缆与无线模块连接。

所述传动短节上端设有公扣，下端设有母扣；所述扶正器通过轴承安装于传动短节外部，扶正器设有扶正器叶片，扶正器叶片沿扶正器周向均匀布置，每一个扶正器叶片均设有用于将扶正器稳定从而使其相对井壁不转动的稳定单元；所述信号单元固定于其中一个扶正器叶片内部，信号单元中的传感器与永磁体设于同一高度，永磁体安装于传动短节上，所述永磁体转至离传感器最近时二者间距离小于1厘米。

所述的监测装置也可安装于旋转导向钻具与钻头之间，装置上端连接旋转导向钻具，下端连接钻头。

所述传动短节设有钻井液流道；传动短节外部设有上下两个台肩，上台肩用于限定与所述的监测装置连接的上部钻具，下台肩用于限定轴承；传动短节外部设有用于固定永磁体的凹槽。

所述扶正器内部设有用于安置稳定单元和信号单元的凹槽，上下两端分别设有用于安装轴承的台肩，扶正器的上端面略低于所述传动短节的上台肩；所述扶正器叶片外径略小于钻头尺寸。

所述信号单元的数量为1个；永磁体的数量可为1个或者多个，永磁体固定于传动短节与传感器同样高度的位置，当永磁体的数量大于1个时，永磁体在传动短节周向均匀分布。