本發(fā)明涉及井下測(cè)量，尤其涉及用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井下振動(dòng)測(cè)量方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)作為一種國(guó)際尖端自動(dòng)化鉆井技術(shù)，可為超深井、高難度定向井、大位移井及水平井等高難度井鉆進(jìn)提供有效解決方案。隨著鉆探目標(biāo)向著更深更復(fù)雜的油氣藏及非常規(guī)儲(chǔ)層邁進(jìn)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中面臨更復(fù)雜更惡劣的井下工況，施工難度日益增大。由于深井段施工環(huán)境惡劣，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中通常受橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及切向振動(dòng)影響，繼而產(chǎn)生跳鉆、粘滑、渦動(dòng)等復(fù)雜形式的振動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的導(dǎo)向能力、導(dǎo)向穩(wěn)定性和精確性、導(dǎo)向軸使用壽命、井眼軌跡控制等造成極大影響。

2、根據(jù)斯倫貝謝公司2014年的全球失效統(tǒng)計(jì)分析，75％的井下復(fù)雜事故歸咎于井下鉆具振動(dòng)，全球每年因井下振動(dòng)造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3億美元。針對(duì)上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)大多采用一個(gè)三軸加速度傳感器固定于鉆具圓柱體外壁的軸向平面上，可測(cè)得鉆具x、y、z三軸的加速度。然而，由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在井下工作時(shí)處于持續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)際的加速度測(cè)量值還夾雜了徑向加速度分量rω2和切向加速度分量當(dāng)鉆具旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，徑向加速度分量rω2和切向加速度分量較小，可忽略不計(jì)；當(dāng)鉆具轉(zhuǎn)速較高時(shí)，徑向加速度分量rω2和切向加速度分量較大，會(huì)對(duì)橫向振動(dòng)狀態(tài)的判斷造成影響。

3、由此可見(jiàn)，由于現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量方法無(wú)法消除表示橫向與切向振動(dòng)的誤差，難以準(zhǔn)確的測(cè)量與識(shí)別橫向與切向振動(dòng)。因此，為了有效降低鉆具損壞風(fēng)險(xiǎn)并延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，提高鉆井的安全性，現(xiàn)有技術(shù)需要建立一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井下振動(dòng)測(cè)量方案至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在針對(duì)有效降低鉆具損壞風(fēng)險(xiǎn)并延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，提高鉆井的安全性，建立一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井下振動(dòng)測(cè)量方法和裝置。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井下振動(dòng)測(cè)量方法，包括：通過(guò)安裝在導(dǎo)向頭內(nèi)部的圓筒式電路骨架外壁對(duì)稱(chēng)位置的兩組加速度傳感器組，實(shí)時(shí)測(cè)量鉆柱對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)的三軸加速度；通過(guò)偏心式安裝在圓筒式電路骨架外壁的角速率陀螺，實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)向頭測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的兩組三軸加速度瞬時(shí)值和轉(zhuǎn)速瞬時(shí)值，利用預(yù)設(shè)的測(cè)量位置的三分量振動(dòng)及轉(zhuǎn)速測(cè)量值與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的三分量振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度之間的映射關(guān)系，確定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，獲得井下振動(dòng)數(shù)據(jù)組，井下振動(dòng)數(shù)據(jù)組包括但不限于：振動(dòng)三分量特征、粘滑振動(dòng)特征、沖擊特征。

3、優(yōu)選地，映射關(guān)系包括對(duì)稱(chēng)測(cè)量位置的兩組三分量振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的三分量振動(dòng)之間的第一關(guān)系、以及測(cè)量位置的偏心轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)速之間的第二關(guān)系，其中，第一關(guān)系利用如下表達(dá)式表示：

4、

5、其中，x1和x2分別表示對(duì)稱(chēng)位置處的徑向加速度測(cè)量值，y1和y2分別表示對(duì)稱(chēng)位置處的切向加速度測(cè)量值，z1和z2分別表示對(duì)稱(chēng)位置處的軸向加速度測(cè)量值，acx表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的徑向加速度，acy表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的切向加速度，acz表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的軸向加速度，e表示圓筒式電路骨架半徑，ω表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；第二關(guān)系利用如下表達(dá)式表示：

6、

7、其中，ω表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)速，表示角速率陀螺測(cè)量轉(zhuǎn)速。

8、優(yōu)選地，基于第一關(guān)系，確定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，其中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度利用如下表達(dá)式表示：

9、

10、其中，acω表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度。

11、優(yōu)選地，根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，獲得振動(dòng)三分量特征，包括：根據(jù)瞬時(shí)三軸加速度數(shù)據(jù)序列和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度序列，計(jì)算第一單位時(shí)間內(nèi)的徑向加速度特征指標(biāo)、切向加速度特征指標(biāo)、軸向加速度特征指標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度特征指標(biāo)；根據(jù)徑向加速度特征指標(biāo)和切向加速度特征指標(biāo)，計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的橫向振動(dòng)；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度特征指標(biāo)，計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的切向振動(dòng)；根據(jù)軸向加速度特征指標(biāo)，計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的縱向振動(dòng)。

12、優(yōu)選地，特征指標(biāo)為相應(yīng)數(shù)據(jù)序列在指定單位時(shí)間內(nèi)的均方根值，其中，振動(dòng)三分量特征利用如下表達(dá)式計(jì)算得到：

13、

14、其中，vibl表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的橫向振動(dòng)，vibt表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的切向振動(dòng)，vibz表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的縱向振動(dòng)，grmsx表示徑向加速度均方根值，grmsy表示切向加速度均方根值，grmsω表示轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度均方根值，grmsz表示軸向加速度均方根值。

15、優(yōu)選地，根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，獲得瞬時(shí)粘滑振動(dòng)特征，包括：根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭在第二單位時(shí)間內(nèi)的最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速均值，計(jì)算表征旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)速峰值的變化幅度的第一粘滑指數(shù)；根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭在第二單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)總數(shù)和負(fù)方向轉(zhuǎn)速的個(gè)數(shù)，計(jì)算表征旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的負(fù)方向轉(zhuǎn)速的測(cè)量個(gè)數(shù)占比的第二粘滑指數(shù)，其中，第一粘滑指數(shù)和第二粘滑指數(shù)分別用如下表達(dá)式表示：

16、

17、其中，s1表示第一粘滑指數(shù)，s2表示第二粘滑指數(shù)，rpmmax表示第二單位時(shí)間內(nèi)的最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，rpmmin表示第二單位時(shí)間內(nèi)的最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，rpmavg表示第二單位時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速均值，n表示第二單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)點(diǎn)總個(gè)數(shù)，n表示第二單位時(shí)間內(nèi)的負(fù)方向轉(zhuǎn)速的個(gè)數(shù)。

18、優(yōu)選地，根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的三軸加速度，獲得瞬時(shí)沖擊特征，包括：根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)徑向加速度和瞬時(shí)切向加速度，計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的橫向沖擊；根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)軸向加速度，計(jì)算旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的縱向沖擊，其中，橫向沖擊和縱向沖擊分別利用如下表達(dá)式表示：

19、

20、其中，shockl表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的橫向沖擊，shockz表示旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的縱向沖擊。

21、優(yōu)選地，映射關(guān)系利用如下方式得到：分析旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中導(dǎo)向頭內(nèi)部圓筒式電路骨架的結(jié)構(gòu)，確定各傳感器的安裝位置；基于拉格朗日力學(xué)原理，結(jié)合各傳感器的安裝位置，推導(dǎo)目標(biāo)測(cè)量位置處三軸加速度值所包含的導(dǎo)向頭物理分量，從而形成用于根據(jù)導(dǎo)向頭物理分量來(lái)表示各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)的映射關(guān)系表達(dá)式，導(dǎo)向頭物理分量包括用于反映導(dǎo)向頭各方向振動(dòng)與沖擊的物理分量和用于反映導(dǎo)向頭粘滑狀態(tài)的物理分量。

22、優(yōu)選地，用于反映導(dǎo)向頭各方向振動(dòng)與沖擊的物理分量基于鉆柱振動(dòng)特性分析得到；用于反映導(dǎo)向頭粘滑狀態(tài)的物理分量基于鉆柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性分析得到。

23、另外，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井下振動(dòng)測(cè)量裝置，包括：至少兩組加速度傳感器組，其用于實(shí)時(shí)測(cè)量鉆柱外壁上對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)的三軸加速度；角速率陀螺，其用于實(shí)時(shí)測(cè)量旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；解算模塊，其用于根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的兩組三軸加速度瞬時(shí)值和轉(zhuǎn)速瞬時(shí)值，利用預(yù)設(shè)的測(cè)量位置的三分量振動(dòng)及轉(zhuǎn)速測(cè)量值與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的三分量振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度之間的映射關(guān)系，確定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；數(shù)據(jù)處理模塊，其用于基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭的瞬時(shí)三軸加速度和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，獲得井下振動(dòng)數(shù)據(jù)組，井下振動(dòng)數(shù)據(jù)組包括但不限于：振動(dòng)三分量特征、粘滑振動(dòng)特征、沖擊特征。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果：

25、本發(fā)明提出了一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井下振動(dòng)測(cè)量方法和裝置。本發(fā)明解決了現(xiàn)有鉆具鉆進(jìn)過(guò)程中不能精準(zhǔn)測(cè)量井下振動(dòng)與沖擊參數(shù)的情況，通過(guò)安裝在導(dǎo)向頭內(nèi)部的圓筒式電路骨架外壁對(duì)稱(chēng)位置的加速度傳感器組和角速率陀螺，實(shí)時(shí)解算鉆具在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的徑向、切向、軸向轉(zhuǎn)動(dòng)分量，保留表示橫向、切向、縱向與粘滑振動(dòng)的有效值，準(zhǔn)確反映旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)井下振動(dòng)與沖擊的實(shí)際情況。本發(fā)明可有效降低鉆具損壞風(fēng)險(xiǎn)并延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，對(duì)于井下鉆具振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)建模及幫助技術(shù)人員識(shí)別井下鉆具工作狀態(tài)具有重要意義。

26、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。