气体钻井技术是欠平衡钻井技术的重要组成部分,相比液体钻井而言,气体钻井技术钻井速度更快、对储层具有更好的保护作用。气体钻井在钻探高压气藏时会钻遇高压气层,但在钻开高压气层后可能会导致井壁失稳等一系列复杂的井下事故。因此气体钻井钻遇高压气层,随钻识别钻开高压气层工况成为气体钻井需要解决的重要问题。本文在气体钻井钻开高压气层的工况下,针对纵向振动产生的振动波信号特征和加速度信号特征进行研究,为快速识别钻开高压气层工况提供了决策依据。本文主要研究成果如下:(1)以应力波在固体中的传播理论为基础,建立了钻柱的纵向受迫振动模型,推导了气体钻井振动波的纵向波动方程。根据纵波在钻柱中具有更快的传播速度,将纵波作为信号载体,研究了纵向振动波在钻柱中的传播特性。依据定常结构在横截面积变化处会产生波阻抗现象,分析了不同钻柱尺寸对纵波信号产生的衰减效应。利用传递矩阵法对周期型和非周期型钻柱的频响特性进行研究,结合DX1井钻柱尺寸模拟出钻柱的频响特性图,结果表明钻柱结构具有梳状滤波器性质,钻柱结构越复杂,产生的滤波效应也越复杂。通过假设气体钻井钻开高压气层时的激励力,模拟出井底产生的振动波信号,经过钻柱的衰减规律后得到地面振动波频谱特征。(2)以钻柱的纵向振动理论为基础,建立气体钻井钻柱纵向振动模型。使用DX1井参数对钻开高压气层之前和钻开高压气层之后的钻柱振动情况进行算例分析,得到钻开高压气层之前与钻开高压气层之后地面的加速度信号特征和井底处的振动特征。(3)对DX1井现场采集到的纵向加速度随机振动信号,进行了信号预处理分析、信号时域分析和频域分析,得到纵向加速度信号为有规律的正弦或余弦周期性振动信号,且加速度信号之间具有很大的相关性。利用录井监测到的现场工况出现的时间段,提取对应的DX1井加速度信号进行分析,分析得到活动钻具、纯钻进、钻开高压气层三种工况的纵向加速度信号特征。通过将现场加速度信号特征与模拟得到的加速度信号特征对比分析,得到了钻柱振动情况。