中国电子科技集团公司第49研究所黑龙江省哈尔滨市150001
摘要：为了预防钻柱振动失效，采用加速度传感器测量钻柱的纵振、横振、扭振及耦合振动。给出了加速度传感器在钻柱上的安装位置和数量，建立了加速度传感器测试信号值与钻柱振动值的关系式。本文分析加速度传感器测量钻柱的纵振、横振、扭振及其耦合振动的方法，给出了加速度传感器安装位置和数量，建立了加速度传感器测试信号与钻柱振动加速度的数学表达式。为验证测量方法的有效性，利用ANSYS仿真软件建立了钻柱振动，对加速度传感器安装位置及个数、测量信号处理方法进行阐述。
关键词：钻柱；振动；加速度；传感器
在石油钻井过程中，由于钻柱的旋转、钻头破岩、井壁碰撞等因素作用，会引起钻柱振动，并导致钻柱失效［1］。对钻柱振动状态分析及减振和防断技术开展了大量研究，主要成果有采用能量法、有限元法进行了钻柱振动分析，并通过钻具设计、减震器应用及钻井参数优化来控制钻柱振动引起的钻具失效。由于井下钻柱振动状况的复杂性，国内在钻柱振动测试方面的研究较少，例如宿雪通过在钻柱顶部测量振动信号，获得钻头下方地层特性，研究钻柱与井壁之间的接触情况。只有精确地测试和提取钻柱振动信号，才能更准确分析和诊断钻柱的振动状态。
一、概述
位移和加速度是振动测量与分析的两个主要物理量。长期以来,人们一直采用直接测量法测量这两个物理量,即用位移传感器测量位移,用加速度传感器测量加速度。直接测量法在一般的场合是可行的,但在一些特殊场合,由于结构动态特性或试验条件的限制,往往会引起较大的测量误差,甚至无法正确测量。例如,类似桥梁、建筑物这样的大型结构,由于其共振频率较低(一般为0.15Hz),位移很大。因此,一般很难用位移传感器测量其位移,也难以用加速度传感器加上积分电路测量这一位移。又如,由于加速度传感器(包括电荷放大器)低频段灵敏度与参考灵敏度偏差较大,用加速度传感器测量低频加速度会产生较大的误差。加速度传感器的低频段(10Hz以下)性能校准也是令人头痛的事情。
二、钻柱振动分析
钻柱在转盘驱动下，内、外均有钻井液流动，旋转钻柱不仅受到井筒约束作用，还承受钻头破岩力作用，整个钻柱承受的载荷主要有：钻柱惯性力、变形而引起的弹性力、钻井液和井壁等所引起的阻尼力和干扰力。这些载荷随钻柱的运动、变形状态发生变化，必将导致钻柱发生振动。考虑到钻柱为细长柔性梁结构，工程上根据钻柱的振动特性将其分解为纵向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动。为了对钻柱振动进行分析。
1、纵向振动。钻柱纵向振动是沿着钻柱轴线发生振动，这种振动产生的主要原因是钻头牙齿间歇压入岩石和岩石间歇破碎所致。牙轮钻头冲击破岩极易引起钻柱的纵向振动。钻头的振动以弹性波的形式通过钻柱向地面传播，到达地面后再沿钻柱向钻头回传。由于钻井液的阻尼作用，在传播的过程中，振动波形逐步变化，振幅逐步减小。强烈的纵向振动会导致钻头跳离井底，剧烈的跳钻会使钻头镶齿受到严重的损坏。由于阻尼的存在，轻微的纵向振动会很快衰减。根据以前提出的钻柱纵向振动物理数学模型以及微分方程，通常用沿钻柱轴线ｚ方向的加速度az来描述钻柱纵向振动。
2、扭转振动。由于钻头牙齿轮流交替接触井底，且钻头不是在一个平滑的平面内转动，使得钻头的转矩及转速随机波动，引起钻头、钻柱的扭转振动。扭转振动会通过转盘引起传动系统以及动力设备的振动。钻柱发生扭转振动时，钻柱处于扭转摆动的状态。这种情况下，钻柱的各部分之间产生剪切应力，强烈的扭转振动会使钻柱在短时间内受到破坏。例如，扭转振动经常导致钻头牙齿断裂、钻柱扭断和粘扣失效，在钻柱扭转振动微分方程中，通常采用扭转加速度ε来描述钻柱的扭转振动。在实际钻井工程中，可根据钻井工艺和钻柱的工作状态，进行钻柱振动分析与简化。对于转盘驱动钻柱进行旋转钻井时，上述振动都可能在钻柱上同时产生，即发生耦合振动，也可能发生振动或振动的耦合；对于井下动力钻具驱动钻头破岩的滑移钻井时，由于钻柱只产生轴向运动，产生横振、扭振的可能性较小，可处理为纵向振动。
二、钻柱振动测量方法
为了测量钻柱发生振动时的轴向加速度ａｚ、横向加速度ａｘ和ａｙ、扭转加速度ε，考虑到钻柱的振动特性、钻柱横截面结构，设计加速度传感器，并安装在测试短接的不同部位。在测试接头横截面ｘｏｙ平面内安装4个加速度传感器Ａ1、Ａ2、Ａ3、Ａ4，沿横截面ｘｏｙ的法线方向安装2个测试方向相同、到中心距离均为ｒ的加速度传感器Ａ5和Ａ6。其中，Ａ2、Ａ3是一对特性相同，测试方向与测试短接截面切线方向一致，到截面中心的距离为ｒ的加速度传感器；Ａ1、Ａ4在横截面ｘｏｙ上沿径向方向，到中心距离为Ｒ的加速度传感器。传感器测量的加速度信号分别记为ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5、ａ6。当钻柱旋转θ角后，如图。根据刚体运动学原理，加速度传感器测量的加速度信号ａ1-ａ6与钻柱振动的加速度ａｚ、ａｘ、ａｙ、ε关系为钻柱旋转时Ａ2传感器与ｙ向的瞬时夹角；ω为钻柱旋转角速度；ε为钻柱扭转振动的角加速度。
三、仿真计算结果与分析
1、纵向振动。在工况1下对钻柱纵向振动进行数值仿真计算，模型一得到的Ａ1～Ａ4加速度传感器的信号ａ1～ａ4为零，将Ａ5和Ａ6传感器的信号ａ5和ａ6代入式，得到钻柱纵振加速度信号，用ａｍｚ表示；模型二得到的只有1个纵振加速度，用ａｚ表示，其他均为零。将模型一、模型二仿真计算的部分纵振加速度曲线绘，截取完整周期的峰谷值及ａｍｚ与ａｚ的误差。模型一仿真模拟得到的加速度信号经式计算后，与模型二仿真计算得到的钻柱纵向振动加速度曲线峰值、周期完全相同，其最大误差＜1％，这说明钻柱纵向振动时，加速度传感器安装位置及推导的数学表达式是正确的；又因为ａ5和ａ6测得的加速度值完全一致，说明在钻柱纵向振动时，通过1个加速度传感器进行测量就足够了。
2、扭转振动。在工况对钻柱扭转振动进行数值仿真计算，模型一得到的Ａ5、Ａ6加速度传感器的信号ａ5、ａ6为零，而Ａ1～Ａ4传感器的信号ａ1～ａ4不为零，ａ2、ａ3经式计算后，得到钻柱扭转振动加速度信号，用εｍ表示；模型二得到的只有钻柱扭转振动加速度信号，用ε表示，其他均为零。现将模型一、模型二仿真计算的部分扭振加速度曲线绘，截取完整周期的峰谷值并将εｍ与ε的误差。扭转振动在工况对钻柱扭转振动进行数值仿真计算，模型一得到的Ａ5、Ａ6加速度传感器的信号ａ5、ａ6为零，而Ａ1～Ａ4传感器的信号ａ1～ａ4不为零，ａ2、ａ3经式计算后，得到钻柱扭转振动加速度信号，用εｍ表示；模型二得到的只有钻柱扭转振动加速度信号，用ε表示，其他均为零。现将模型一、模型二仿真计算的部分扭振加速度曲线绘，截取完整周期的峰谷值并将εｍ与ε的误差
传感器测量位移和加速度所涉及到的仪器设备都是一些常用测试设备,毋须再投入资金,且实现简便。测试不受频率高低及位移大小的限制,并具有较高的测试精度,其突出的优势在于能够有效地测量大幅值位移和低频加速度,在工程上具有较高的实用价值。
参考文献：
［1］葛洪魁，杨微．钻柱振动录井的研究现状及发展趋势［J］．石油钻探技术，2015，(5).
［2］陆兆峰，秦曼．压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究［J］．仪表技术与传感器，2016(7)．
［3］丁旭东，周静．大容量Flash存储器在智能钻井测控系统中的应用［J］．石油仪器，2016，(1)．
［4］张永贵，董大伟．一种扭振测量新方法及其在故障诊断中的应用［J］．振动、测试与诊断，2015，(12)．