旋转导向钻井系统中振动加速度的消除方法.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 1 0年 3月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHNOL OGY V0 1 ． 3 2 No ． 2 M a r ．2 Ol 0 文章编 号1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 0 0 20 0 1 90 4 旋转导 向钻 井 系统 中振 动加 速度的消除方法 周 静 赵 毅 李 星 曹 晓 居 迎 军 1 ． 西安石油大学 ， 陕西西安7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 河南油 田工程院， 河南南阳4 7 3 1 3 2 ； 3 ． 川庆钻探工程公司国际事业部， 陕西西安7 1 0 0 6 5 ； 4 ． 长庆油田第六采油厂， 陕西榆林7 1 8 6 0 6 摘要在钻井过程中， 钻头切削岩层、 钻柱与井壁的碰撞， 必然造成钻井工具的振动， 这些振动会在测斜加速度传感器的输 出上得到反映， 使其不能真实地反映井眼姿态的变化。 为及时得到准确的井眼姿态， 有必要研究振动条件下传感器的输出规律， 进而消除振动的影响。从室内模拟振动实验的原始数据入手， 通过 Ma t l a b对传感器输 出信号进行功率谱密度估计， 得 出了振 动频率与转速的大致关系， 并设计了具有针对性的滤波器。通过对实验数据分析处理 ， 振动干扰信号的能量得到大幅衰减， 测 斜传感器 3个敏感轴的输出波动明显减小， 提高了姿态测量的准确性， 从而验证了该方法在旋转导向系统中是可行的。 关键词 旋转导向钻井； 振动； 传感器； 转速； 功率谱密度； 滤波器 ． 中图分类号T E 9 2 文献标识码 A M e t ho d o f e l i mi n a t i n g v i br a t i o na l a c c e l e r a t i o n i n r o t a r y s t e e r a b l e dr i l l i ng s y s t e m Z H O U J in ， Z H A O Y i ， L I X i n g ， C A O X i a o ， J W Y in u n 4 1 ． X i a nS h iy o uU n i v e r s i ty ， Xi a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． He n a nOi e l d Ac a d e m yo fE n g i n e e r i n g ， Nd Iy n n g4 7 3 1 3 2 ， C h i n a ； 3 ． I n t e r n a { i o n n l D 如i S io n C h u a n q i n gDr i l l i n gE n g i n e e r i n gC o m p a n y ， Xi a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 4 ． N o ． 6Oi l P r o d u c t i o n Pl a n t ， C h a n g q i n gOi lfie l d , Y u l i n 7 1 8 6 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e a c t u a l d r i l l i n g p r o c e s s ， t h e e ffe c t s o f c u t t i n g f o r ma t i o n d r i l l ， d r i l l s t r i n g a n d b o r e h o l e f a c e c o l l i s i o n s wi l l c e r t a i n l y c r e a t e a d r i l l i n g t o o l v i b r a t i o n ． T h e s e v i b r a t i o n s i n i n c l i n o me t e r a c c e l e r a t i o n s e n s o r o u u t a r e r e fl e c t e d ， S O t h a t a c c e l e r a t i o n s e n s o r o u t - p u t v a l u e c a n n o t b e t r u e r e fl e c t b o r e h o l e p o s t u r e c h a n g e s ． I n o r d e r t o o b t a i n a c c u r a t e b o r e h o l e a t t i t u d e ， i t i s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e s e n s o r o u t p u t d u r i n g t h e v i b r a t i o n c o n d i t i o n ， S O a s t o e l i mi n a t e t h e e ffe c t s o f v i b r a t i o n ． Th i s p a p e r b e g i n s wi t h t h e r a w d a t a o f t h e i n d o o r s i mu l a - t i o n v i b r a t i o n a l e x p e r i me n t s ， g e t s t h e g e n e r a l r e l a t i o n s h i p b e t we e n v i b r a t i o n a l f r e q u e n c y a n d r o t a t i o n a l s p e e d t h r o u g h t h e p o we r s p e c t r a l d e n s i t y e s t i ma t i o n o f s e n s o r o u tpu t s i g n a l wh i c h i s b a s e d o n Ma t l a b ， a n d d e s i g n s t h e s p e c i fi c fi l t e r ． T h r o u g h a n a l y z i n g a n d p r o c e s s i n g t h e e x p e r i me n t a l d a t a ， e n e r g y o f v i b r a t i o n i n t e r f e r e n c e s i gn a l i s g r e a t l y a t t e n u a t e d ， o u t p u t fl u c t u a t i o n o f t h r e e s e n s i t i v e a x i s i n c l i n o me t e r s e n s o r i s s i gn i fi c a n t l y r e d u c e d ， S O t h e v a l i d a t i o n o f t h e me t h o d i s f e a s i b l e i n r o t a ry s t e e r i n g s y s t e m． Ke y wo r d s r o t a r y s t e e r a b l e d r i l l i n g ； v i b r a t i o n ； s e n s o r ； r o t a t i o n a l s p e e d ； p o we r s p e c t r a l d e n s i ty； fi l t e r 旋转导 向钻井系统在陆上和海上油 田实验时发 现在钻进的条件下不能计算得到准确的井眼姿态参 数 ， 通过对得到的测斜传感器输出数据分析发现 在 钻具钻进的情况下， 测斜传感器的输出会受到振动产 生的振动加速度的影响 ， 因此需要在实际钻进 中消除 其干扰， 才能计算得到准确的井眼姿态参数信息 J 。 1 测斜短节的振动 r a tio n o f i nc l i na tio n me a s u r e me n t s u b 在油井的钻进过程 中， 钻柱 的主要运动形式是 旋转向下的运动， 但实际上却常常伴随着各种振动 状态的出现 ， 即钻柱振动现象。X T C S的导向工具在 基金项 目国家 自然科 学基金项 目 “ 井下闭环旋转导向智能钻井 系统控 制理论研 究” No ．6 0 0 7 4 0 2 8 _ F 0 3 0 2 “ 旋转导向钻井系统导向 稳定性和随钻信息传输速 率研 究 ” 编号 5 0 6 4 4 0 1 5 资助。 作者简介 周静， 1 9 6 4 年生。1 9 8 8 年毕业于西安电子科技大学， 获硕士学位， 现从事旋转导向智能钻井系统的研究与教学工作， 教授。 E - ma i l j z h o u x s y u ．e d u ． C I 1 。 2 0 石油钻采工艺 2 0 1 0年 3月 第 3 2 卷 第 2期 钻井过程 中作为钻柱 的一部分 ， 必然也受到振动的 影 响， 导致 加速度传感器 的输 出不能准确反映重力 加速度值。其中横振 、 扭振 、 纵振分别对加速度传感 器的 轴 、 y 轴 、 z轴影响较大 E 2 1 o 2 振动信号的获取 Ac q u i s i t i o n o f v i b r a t i o n s i g n a l s 2 ． 1 钻井模拟实验 Dr i l l i n g s i m u l a tio n 将钻具组合放人模拟井 ， 确认设备与系统正常 ， 然后将钻头落到井底， 通水不加压 ， 设定采样时间为 6 0 ms ／ 点， 即采样频率为 1 0 0 0 ／ 6 0 H z ， 测量数据 点数为 3 0 0 0 0 点。通电后， 将不旋转套上的翼肋伸 出贴紧井壁， 保证测斜短节在实验中相对大地静止。 实验过程 中， 钻具以 2 7 r ／ mi n的转速旋转 ， 并对当前 井眼姿态进行测量。 2 ． 2 实验原始数据 Ex p e r i m e n t a l r a w da t a 实验结束后， 使用串口将数据提取到上位机， 对 原始数据绘图， 见图 1 。 鑫 墨 囊 凸 皆 。 棼 O0 5 0 0 5 O O O 50 采样点数／ 1 0 ， 确 输 出原始信 号 采样点数／ 1 0 s y 轴输 出原始信 号 采样点数／ 1 0 s z 轴输 出原始信号 图 1 传感器 ， 】 ， ， z轴输 出的原始信号 F i g ． 1 T h e o r i g i n a l s i g n a l o u t p u t o f s e n s o r Z a x i s 3 传感 器信号 频域分 析 S e n s o r s i g na l f r e q u e n c y d o ma i n a n a l y s i s 影响钻柱振动的因素众多且在随时变化， 导致 其频率 、 幅值 、 相位均具有不可预知性 ， 满足随机振 动的条件 。随机信号的积分不能收敛 ， 所 以其本身 的傅立叶变换是不存在的， 因此将传感器信号放在 频域处理会更有利于剖析问题、 深人研究信号特性。 3 ． 1 谱估计方法的选择 S e l e c t i o n o f s p e c t r a l e s t i ma ti o n me t h o d s 在消除振动对 传感器信号的影 响之前， 必须首 先确定振动信号的频率。这可以通过求解传感器信 号的功率谱密度函数来解决 。目前使用最广泛的功 率谱密度函数估计的计算方法是韦尔奇 We l c h 方 法， 使用We l c h 法对传感器的输出信号进行谱估计， 需要进行数据分段 、 加窗和 F F T等操作 ， 可以按照该 方法的定义来编程实现 1 o 3 ． 2 谱分析的结果 Re s ul t s o f s p e c t r a l a n a l ys i s 对传感器输出信号进行谱分析时， 采用了下述 窗 函数 汉宁窗 、 海 明窗和凯塞窗 。对各轴进行 自 功率谱密度估计计算， 进行谱分析得到 3 个轴的稳 转段频谱 图， 如图 2 ～图 4所示 。 可。4 r 汉宁窗 J we l c h 法分析结果 ． ． 。墨 垄 ． 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 q r 海 明 窗 的 w e lc h 法 分 析 结 果 坚 2 [ 1 1 恐X 1 00 ． ． 2 4 2 5 7 5 9 7 H H z y 1 2 8 5 s 3 3 6 3 ． s8 4 0 1 言 - ■ r 凯塞 窗w e l c h 法分析结果 垂 z x 1 0 ．4 z5 5 7 HH ⋯z y i 2 6 s8 s5 肼8 。 s 0 ■ 频率／ Hz 图 2 X轴稳转段 自功率谱 密度估计 图 F i g ． 2 Th e e s t i ma t e d ma p o f X- a x i s s t a b i l i t y p o we r s p e c t r a l d e n s i t y 2『 ． 汉宁窗的we l c h 法分析结果 垂 l l 8 x 1 0 ．4l6 25 5 87 HH zz y 1 163 l6 _12 88 l3 4 誊 0 亨 亨 玄 2『 ． 海 明窗Iwe l c h 法分析结果 垂 I2 f x1 叫0．4 5z57s HH z y 1 1 3删834 0 ■r 言芎 _ _ _ 杏 叶。2『 ， 凯塞窗Iwe l c h 法分析结果 垂 l ‘x 1 0 ．4l6 25 5 87 HH zz y l 145 98 24 2．16 8 3 。 亨 亨 玄 频率／ Hz 图 3 Y轴稳转段 自 功 率谱 密度估计 图 F i g ． 3 Th e e s t i ma t e d ma p o f Y - a x i s s t a b i l i ty p o we r s p e c t r a l d e n s i t y 4 0 0 0 r 汉宁窗 J we l c h 法 分析结果 ．。登 翌 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 4 0 0 0 r 海明窗 J we l c h 法 分析结果 譬 o 0 0 一受 。澄 ． 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 4 0 0 0 f 凯塞窗[ w e l c h 法分析结果 。 ．篓整 毯盟 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 频率／ Hz 图 4 z轴稳转段 自功 率谱 密度估计图 F i 2 ．4 T h e e s t i ma t e d ma p o f Z- a x i s s t a b i l i ty p o we r s p e c t r a l d e n s i t y 从图2 可看出， 有 2 个较为明显的振动信号， 频 周静等 旋转导向钻井系统 中振动加速度的消除方法 2 l 率分别为 0 ． 2 2 7 9 H z 和 0 ． 4 5 5 7 H z 。图中X 、 Y分别代 表振动信号的频率和幅度。把这 2 个频率成分转换 为 1 3 ． 6 7 4次 ／ mi n和 2 7 ． 3 4 2次 ／ mi n 。 在稳转段 ， 由红外测速表测得 的钻柱转速是 2 7 r ／ m in ， 经过比较发现， 一个振动信号几乎钻柱每旋转 I 周就振动 1 次。这可能是钻柱在旋转过程中， 由于 着力点的原 因， 形成 了与井壁 的撞击 ， 撞击频率与转 速相同。而另一个振动信号的频率约为转速频率的 一 半， 其频率成分好像和钻杆旋转频率有线性关系。 从直观上来说 ， 这两个振动与转速有某种联系。 从 y 轴的谱分析图可以看到， 】 ， 轴的振动信号 也有 2 个 图3 。幅值较大 的信号频率与转速频率 几乎相等；另一信号的频率约为转速频率的 1 ／ 3 。 这也说明了， 转速和振动有着特殊的联系。 从 z轴的功率谱密度函数估计图 图4 可看出， 在 z 轴方向存在 3 个较为明显的振动信号， 其振动 频率分 别为 0 ． 4 5 5 7 H z 、 0 ． 8 7 8 9 Hz 、 1 ． 3 3 4 6 H z 。这 3 个信号分别约是转速频率 的 1 倍频 、 2 倍频和3 倍频 。 钻柱的横振与扭振主要在 、 】 ， 轴传感器上反映 出来， 纵振主要在 z 轴传感器上反映出来。虽然纵 振和横振是正交的， 但由于实际工况的复杂性， 钻柱 的3 种振动之间还是存在相互的耦合关联。 从功率谱估计来看 ， 虽然产生 的振动信号频率 不是很 高， 但可以预见 随着转速的提高 ， 产生 的振 动信号频率也会增大。相对于重力加速度信号对应 的直流输出， 可 以采用低通滤波的处理方式， 消除输 出信号中显示交流特性的振动信号分量 。 3 ． 3 振动影响的消除 El i mi na t i o n o f v i br a t i o n e f f e c t s 在后续的数字信号处理 中， 消除干扰的最好办 法就是滤波。I I R滤波器类 中的巴特沃斯滤波器在 通带内具有最平坦 的幅度特性 ， 因而选用八 阶巴特 沃斯低通滤波器来进行振动信号的滤除。根据实验 和石油钻井行业的仪器资料， 选定 巴特沃斯滤波器 的截止频率为 0 ． 2 Hz ， 借助 Ma t l a b的 F D A T o o l 工具 箱 ， 生成的滤波器系统函数为 ⋯、 1 0 ” 0 ． 0 3 3 70 ． 2 7 0 z 0 ． 9 4 4 z 1 ． 8 8 7 z 2 ． 3 5 9 z - 41 ． 8 8 7 z 0 ． 9 4 4 z 0 ． 2 7 0 z 0 ． 0 3 3 7 z 17． 61 4 z 25 ． 3 7 0 z ～ 一4 8． 3 2 2 z 57 ． 5 4 5 z ～ 一 4 3． 8 7 3 z 2 0． 91 2 z _ 。 。 一 5 ． 6 98 0z 0． 6 7 9 z 1 考虑到运算误差、 运算速度和系统复杂程度等 因素， 要在下位机中使用该滤波器对采集数据进行 滤波， 首先要将该滤波器的传递函数变换成另一种 算法。文中采用二阶级联结构实现。将滤波器的系 统 函数转换成 4个二 阶节的形式 ， 得到转换后的系 统函数为 ⋯、 ， 1 2 z Z - 2 1 2 z z - 2 1 2 z z_ 2 1 2 z z _ 2 H』 7- 一 ⋯一 1 1 ． 9 6 5 4z 0． 9 71 0 z～ 1 1 ． 91 4 2z 0 ． 91 9 6 8 z 1 1 ． 8 7 6 8 z 0 ． 88 2l z ～ 1 1 ． 8 5 71 z 0 ． 8 6 2 4 z 2 其中 w6 i 1 w5 i ； k - O ． 0 0 1 3 9 9 40 ． 0 0 1 3 6 30 ． 0 0 1 3 3 6 30 ． 0 0 1 3 2 2 3 w7 i 1 -- w5 i 1 2 w5 i w 6 i 1 ． 8 5 7 1 根据 Ma s s o n公式直接画出转换后 的滤波器二 w7 i - 0 ． 8 6 2 4 3 w8 i ； 阶级联结构。根据结构图写出Y 的递推公式 ， 编 w8 i 1 w 7 i ； 制 c语言程序实现对 ／7 的滤波， 得到滤波后的数 y i w 7 i 1 2 w 7 i w 8 i ； 据Y 。在此写出滤波部分的主要程序段如下 将稳转段的数据送人滤波器进行滤波处理得到 wl i 1 1 ． 9 6 5 4 X wl i 一 0 ． 9 7 1 0 4 X w 2 i k X 滤波后三轴 的输 出如图 5所示 。对滤波结果再次进 x i ； 行功率谱密度 函数估计， 验证滤波效果 。给出三轴 w 2 i 1 w1 i ； 滤波后的功率谱密度函数估计如图 6 所示。可以看 w 3 i 1 -- wl i 1 2 w l i w 2 i 1 ．9 1 4 2 出， 滤波后的各轴输出值波动范围明显减小， 且干扰 w 3 i 一 0 ．9 1 9 6 8 w 4 i ； 信号的能力降到很低， 说明干扰信号的影响基本被 w 4 i 1 w 3 i ； 消除。以滤波后的数据进行当前井眼姿态描述， 并 w5 i 1 w3 i 1 2 w3 i w 4 i I ． 8 7 6 8 与由未滤波前 的原始数据计算得 到的井眼姿态作 比 w5 i 一0 ． 8 8 2 1 4w6 i ； 较， 结果如图 7 、 8所示。 2 2 石油钻采工艺 2 0 1 0年 3月 第 3 2卷 第 2期 主 2 0 4 -- -30 0 量 -5 0 l 采样 点数／ 1 0 3 滤波后的 曲 输出俩 馨 型 a 墨 馨 采样点数／ 1 0 3 滤波后的舛I 输出值 采样 点数／ 1 o 3 滤波后的z 车 由 输 出值 图 5 ， y ， Z轴输 出值滤波曲线 F i g ． 5 F i l t e r c u r v e s o f y ， Z a x i s o u tp u t 频 笨／ Hz 图 6 各轴输 出值滤波后的功率谱 密度估计图 Fi g ． 6 T h e e s t i ma t e d ma p t h a t t h e p o we r s p e c t r a l d e n s i t y o f t h e o u t p u t s h a ft a f t e r fil t r a t i n g 4 4兰 ．44 2 l 6 2 0 采样点数／ 1 0 ， ⋯ 滤波后 L “ m 。 ．▲ 一 ‘ P ’ l7 1 2 l 6 2 0 2 4 采样 点数门O ， 的井斜 角 r e a n d a f t e r fi l t r a t i n g 采样点数／ l O 图 8滤波前后计算的工具面角 F i g ． 8 Th e t o o l f a c e o ri e n t a t i o n b e f o r e a n d a f t e r fil t r a t i n g 经过滤波后， 导向工具姿态 的测量结果 明显改 善。井斜角的波动范围由0 ．5 。 降到0 ． 1 。 ， 工具面角 的波动范 围由 3 ． 5 。 降到 1 ． 6 。 。本实验数据在转速不 高、 钻头落到井底但没加泵压的情况下测得， 可以预 见， 随转速增高、 泵压加大 ， 导 向工具受到的振动将 会增大 ， 在这种情况下 ， 本实验所采用的数据处理方 法对姿态测量结果 的改善将是非常明显的 ] 。 4 结论 Co n c l u s i o n s 1 介绍了导向工具在钻井过程中存在的振动形 式 ， 并设计了针对性的实验。 2 通过对实验结果进行分析， 在对传感器输出 信号做功率谱密度估计的基础上， 得出了振动频率 与转速的大致关系。 3 根据干扰信号特性设计了具有针对性的滤波 器 ， 干扰信号的能量得到大幅衰减 ， 敏感轴的输出波 动明显减小， 提高了姿态测量的准确性， 证明该处理 方法在实际的钻井姿态测量中是可行的。 参考文献 Re f e r e n ce s [ 1 ] 傅鑫生， 周静， 汉泽西， 等 ． 惯性导航原理在确定井的姿 态中的应用 [ J ]． 测井技术， 1 9 9 2 ， 1 6 6 3 - 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5 0 1 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 8 1 0 [ 编辑薛改珍 ] }_ m 啊 ， 一 6 2 8 4 O 6 姒 螂 一 一 埘 ] ■ 一 __岫 ■ 啊 1一 ～ 一 E ⋯ 一 一 的 一 窝 一 宁 一 汉 一 ㈣