云南省昭通市威信县麟凤镇威信云投粤电煤炭有限公司 云南省昭通市 657903
摘要：井下振动测量在工程施工中具有重要的意义，其能够对于地下施工作业中的钻头以及钻柱系统的工作状况及时的了解，以便于防止由于振动异常而带来的一系列危害，影响正常的施工进展。近些年来，对于井下振动测量的研究与开发应用已经有了一定的发展，新的振动测量工具也相继问世，其在新的工具中融入了当前先进的科学技术。笔者将在下文中对井下振动测量和原理进行研究分析，其主要首先对井下振动测量工具设计进行详细的介绍，然后再以多坐标钻柱系统模型为基础，建立一定的井下振动运动以及振动测量的方程，通过合理的推导和计算，从而从数学和物理模型角度来对井下振动测量理论进行系统化分析，最后对井下异常振动的三种情况进行详细介绍，为我国井下振动测量以及其测量工具的优化创新提供一定的理论依据。
关键词：井下振动；振动测量；异常振动；原理研究
前言
井下振动现象主要是与钻头以及钻柱系统在进行作业的过程中的多方面因素影响作用有着紧密的联系，如果在井下作业中不能对振动进行及时有效地控制，就会带来一些比较严重的后果，比如影响正常的作业进度，使得作业进度迟滞；另外，井下振动还会对钻头设备带来一定的损坏，加大其磨损程度，同时，过大的振动还可能导致影响作业的井身质量，从而不利于工程的开展实施，增加施工作业的成本。所以，在井下作业的过程中必须要对井下振动高度重视，全面了解井下作业的钻头、钻柱系统的工作动态，实时的对其工作状况进行监测测量，以便于能够在第一时间发现问题，及时采取措施来对其控制，降低振动所带来的危害。当然，在现今阶段，我国的井下振动测量工具的开发和国外相比还是存在着比较大的差距，很多工具都得依靠进口，因此，井下振动测量的原理研究是一个比较热门的领域，对于井下振动测量工具开发有着极大的积极作用。
1．井下振动测量工具设计主要是借助
井下振动测量工具传感器来完成对井下钻头以及钻柱系统的振动信号的采集，并且对所采集的信号进行加以处理分析。在这个过程中应用通常需要速度计、应变计、加速度计、力传感器以及位移计等传感器来实现对信号的采集工作。基于井下作业的空间比较狭小的特殊性，而压电式加速度计又具备着结构简单、体积小、工作可靠、灵敏度高、重量轻以及信噪比较高的优点，所以通常选择其作为井下振动测量的加速度计。另外，井下振动测量需要对其钻具的全方位的振动进行测量，因此，可以选择应用三轴加速度计，以下图1为其振动测量工具设计图。
图1 振动测量工具设计图
图1中所示的X、Y、Z轴分别是用来完成对井下钻具的横向及径向加速度测量，横向及切向加速度测量，轴向加速度测量。
在安装要求方面，井下振动测量工具能够选择在不同的位置，其安装位置的选择主要与测量目的有关，如果是为了测量钻柱本体所存在的振动，就可以考虑安装于钻柱本体，但不能在同一位置；如果测量钻头处所产生的振动，就应该在距离钻头比较近的位置进行安装，以便于能够最大程度收集到钻头振动的真实值，了解其振动状况。为了使得测量结果更加准确，避免一些偶然性问题，在测量的过程中需要安装多个振动测量工具，这样方可进行不同振动测量工具的数据收集对比分析，提升测量数据的准确性和可靠性。
2．井下振动测量分析理论
将作业的井眼中心O点作为原点坐标，以三轴加速度计测点M点中心横截面为坐标轴建立Oxy轴，并且在以钻柱中心点C点来作为另一个原点，以OC所在直接为轴方向，过C点做垂直于i轴的j轴，以此得到Cij坐标系。然后再在M点上沿着CM方向做X轴，过M点做垂直于X轴的Y轴，形成坐标系MXY。图2中所示的即为各个坐标系中测点X、Y方向的加速度。
图2 各个坐标系中测点X、Y方向的加速度
在图2中，r表示井眼中心与钻柱中心距离；
R表示钻柱中心到测点距离R；
表示钻柱中心所转过的角度；
w口为钻柱自转角速度。
钻柱中心C点的速度可以用下式（1）表示
（9）
从上式中能够得出测点的加速度是一个极其复杂的运动。包括测量工具中心的加速度以及径向加速度，而 又为测量工具在另外方向的横向加速度，Rw为测点位置的切向加速度。
通过以上分析，我们知道Z轴方面加速度不会受到其它方面的影响，即为测量值，因此，井下振动测点三轴加速度图可以用图3分析：
Xa表示三轴加速度计在X轴方向测量值；Ya表示Y轴方向测量值；Za表示Z轴方向测量值； 为X轴加速度； 为Y轴加速度； 为Z轴加速度。
3异常振动情况分析
3.1黏滑
黏滑现象是一种BHA交替加速和减速的运动。其主要是因为扭矩间歇地加大或者减小，使得钻头出现旋转与停止交替状态，而最主要的因素是由于扭矩过大造成的，从而引起钻具磨损比较严重，导致后期振动增强。
3.2跳钻
在进行井下作业中，钻头由于反复跳离井底而使得钻柱出现强烈的振动即为跳钻。引起跳钻的原因比较多，其中主要可能是BHA部件及钻头破坏较早或者钻速下降较大所导致的。对于BHA有没有发生跳钻现象，我们能够通过对Z轴方向的加速度进行测量来获得有效信息。如果振动测量工具按照在距离钻头比较近的地方，能够对测点到钻头的弹性变形进行忽略，从而得到测量的轴向加速度与钻头加速度基本一致。对加速度的积分再积分也就得到位移，以此来获得钻头轴向振动状况。通过位移变化来对跳钻现象的判断非常有效，而且对于后期对预测钻井也有一定的积极作用。
3.3横向振动
在井底作作业中，如果钻具的BHA段没有转动就会出现横向振动的现象，在这个时候，w=0，三轴加速度计仅能够对X、Y方向进行加速度测量，借助2个参数变化来对横向振动进行判断。在BHA段转动的情况下，钻柱横向振动和转动结合变为一种涡动现象，也就是自转的同时存在公转运动。通常，钻柱高频交变应力是又向后涡动所造成的，在此过程中会加快对钻柱的磨损程度，使得钻头出现过早的破坏问题。
4.结束语
总之，上文中笔者对于井下振动测量的工具设计以及振动测量原理模型进行了详细的分析研究，我们能够得到以下结论：第一，井下振动是多方位的，需要利用三轴加速度计来建立合适的模型对其进行振动测量分析，从而为振动测量工具的开发研究提供一定的基础；第二，振动测量受到多种参数因素的影响，在模型选择方面要科学合理；第三，井下作业过程中存在多种异常振动情况，必须要对其进行及时测量，以便于采取有效措施控制；第四，井下振动测量、分析理论研究对于振动的控制有极大的现实意义。
参考文献：
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论文作者:龚新福
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/7/1
标签：测量论文; 井下论文; 加速度论文; 钻头论文; 作业论文; 加速度计论文; 工具论文; 《基层建设》2016年5期论文;