大位移井钻柱振动规律研究与应用

在大位移井钻井工程中钻柱受着各种振动，当各种振动共振时，钻柱承受着非常大的动载，很容易受损，同时，钻柱的振动影响着井壁的稳定，严重威胁着井下的作业安全。以大位移井近井底的钻柱为研究对象，分析了钻柱振动行为所遵循的规律。采用线性分析法，获得了大位移井钻柱横向振动和扭转振动的频谱方程。同时获得了钻柱各种共振频率的分布。经分析表明：大位移井钻柱的横向振动和扭转振动的共振频率与实际钻井转速非常接近，应合理选择转速以减小钻柱共振的发生。文章的分析研究为大位移井钻柱动态行为的研究提供了理论依据。     

钻井液对钻柱纵向振动影响分析

钻柱纵向振动严重时造成钻头损坏、钻杆磨损加剧和迅速的疲劳破坏,使钻井成本大大增加。利用ANSYS软件建立钻柱振动有限元模型,采用Block Lanczos法进行固有振动特性分析,然后在钻头处施加干扰力,采用完全矩阵法进行动力响应分析,得出钻井液密度对钻柱纵向振动的影响规律。钻井液密度降低,导致固有振动频率升高,振幅增大;钻柱响应力的变化趋势与响应位移基本一致;钻井液密度降低引起钻柱的响应位移和响应力增大,进而造成von Mises等效应力增大,疲劳寿命降低。     

基于ANSYS的钻柱扭振模态分析

应用ANSYS软件建立了钻柱的扭转振动有限元模型。经过合理的假设,通过模态分析技术计算分析得出了钻柱扭转振动规律。分析结果表明,钻柱扭转振动的固有频率随着钻柱长度的增加而显著减小;通过采用合理的钻机转速,可以避开临界转速,避免引起共振;钻柱扭转振动最大角位移位置因主振型的阶数不同而变化。该项研究结果对于常规的回转钻进中采用合理的减振措施等方面具有现实的指导意义。     

空气钻井条件下钻柱振动特性研究

空气钻井过程中钻柱损坏问题严重,直接影响到了钻井成本并威胁钻井安全,共振是引起钻柱失效的主要原因之一,故需要对其振动特性进行分析和研究。为此,在理论分析的基础上,建立了钻柱振动有限元模型,利用ANSYS软件对空气钻井钻柱振动特性进行了数值模拟。研究结果表明：扭转和纵向振动固有频率数值较大,共振区域窄;横向振动固有频率很小且各阶频率间隔小,共振区域宽;钻柱扭转、纵向振动和横向振动特性受钻柱长度影响很大;空气钻井中钻柱纵向振动和横向振动的固有频率比常规钻井中钻柱振动的固有频率要高很多。谐响应分析结果表明：钻井液的存在使钻柱低频共振响应显著加强,而高频共振减弱;钻井液对钻柱安全有着积极的影响。在进行空气钻井时,需要根据不同的钻柱长度和钻柱组合,动态选择合理的转盘转速。该研究成果对空气钻井转速优选具有一定的指导意义。     

大位移井井下钻柱耦合动力学分析研究

兴古7-H173大位移作业工况复杂,井下钻柱由于钻压、转速等因素容易发生耦合振动,研究大位移井井下钻柱纵向、横向、扭转三维耦合振动规律对减少钻具疲劳失效至关重要。文章建立大位移井钻柱耦合动力学有限元模型并求解,模型主要考虑了三维振动位移随时间的变化,同时考虑了井底钻压波动对耦合振动频率的影响,结合理论和现场进行分析,通过数值模拟发现,钻具耦合振动存在周期性变化规律,井底钻压波动越大,井下钻柱耦合振动频率幅值越大,但振动周期未发生明显改变,振动频率在一阶固有频率与二阶固有频率幅值之间的波动范围减小;转速越高,振动周期明显减小,振动频率在一阶固有频率与二阶固有频率幅值之间波动范围减小,越容易达到共振幅值。通过现场试验可以发现,井下钻柱振动存在周期性波动,高钻压、高转速条件下井下钻柱振动明显加强,而降低钻压、转速,振动明显减弱,与数值模拟规律接近,具有一定适用性,为大位移井下钻柱振动研究提供了可靠性意见。     

基于数值模拟的钻柱谐振响应研究

钻柱振动是钻柱疲劳失效的主要原因,特别是在气体钻井过程中,井眼内缺少钻井液的润滑减震作用,钻柱振动更为强烈。文章建立了钻柱振动有限元数值模型,采用SUBSPACE法对钻柱进行模态分析,计算出了钻柱纵向振动各阶固有频率;并利用FULL法分别对三牙轮钻头和空气锤激励时钻柱的谐振响应情况做了计算,对其响应位移和响应轴力进行了详细研究,得出使用三牙轮钻头时钻柱在低阶频率处纵向共振响应位移最大,对钻柱的损害最大;使用空气锤时,钻柱在高阶频率处易发生共振,响应轴向力较大。     

大位移井钻柱优化设计方法及应用

钻柱设计是否合理是钻井能否成功的关键技术之一，在大位移井中其作用显得尤为重要。在前人研究的基础上，在综合考虑了大位移井钻井操作参数、井眼轨迹状态等实际因素的影响上，结合钻柱整体和各组件自身力学特性，对钻柱整体和部分分别进行优化设计分析，形成了大位移井钻柱分段组合、整体优化的设计方法，并结合南海流花油田A4ERW3 大位移井进行实例分析，结果吻合良好。实践证明该方法有益于指导其他大位移井钻柱的优化设计。     

基于ANSYS的钻柱纵向振动固有频率分析

采用ANSYS的有限元法对钻柱纵向振动固有频率进行了分析研究,通过建立有限元模型,对钻柱的纵向振动固有频率进行了模态分析和谐响应分析.阐明了钻柱的纵向振动各阶频率与井下钻柱长度、钻柱提升或下放速度与时间比值之间的规律.     

基于ANSYS的钻柱纵向振动有限元分析及应用

根据动力学理论建立钻柱动力学振动方程。把钻柱看作一个弹性直杆,建立几何模型;通过ANSYS软件分析,得出钻柱纵向振动的特性以及减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响。结果表明,减振器安装适当的位置,可以减少钻柱的纵向振动,从而减少和防止钻柱发生断、刺事故。     

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文章分析研究了大位移井钻井过程中对钻具破坏很强的一种扭转振动：“粘滞—滑动”,这种振动在大位移井钻井过程中发生的概率比较大,表现为或停或转的状态,转动的瞬间钻头以很大的速度冲出,引起钻头与地层、钻柱与井壁强烈碰撞,因此引起钻具失效。通过建立大位移井钻柱的等效扭转摆模型,分析了在钻头与地层扭矩及钻柱与井壁间摩阻扭矩作用下钻柱的动态行为,给出了钻柱所受摩阻力与钻柱动态位移之间的函数关系。分析了钻柱“粘滞—滑动”振动所遵循的物理规律,获得了大位移井“粘滞—滑动”共振频率的分布。结果表明：大位移井的“粘滞—滑动”现象表现为低频反应。根据“粘滞—滑动”共振所满足的条件,通过调整钻井参数可以避免“粘滞—滑动”现象的发生;扭转负反馈对“粘滞—滑动”现象有一定的阻碍作用。该问题的分析结果具有较高的理论价值和实际意义,对大位移井钻进中如何减少钻具失效问题提供力学依据。     

基于加速度传感器的钻柱振动测量方法研究

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。采用ANSYS数值仿真软件模拟了钻柱的4种振动工况,数值仿真得到的钻柱振动加速度值与理论计算结果误差<5%。为钻柱振动测量工具的设计提供了理论依据。     

钻柱瞬态动力学失效分析

目前钻柱瞬态动力学的研究大部分处于理论阶段,计算工作量大,而且针对钻柱的动态失效分析还比较少。为此,考虑钻柱轴向力的作用,在一定条件下发生屈曲,诱发横向振动,使钻柱的一些部位与井壁碰撞,建立钻柱的动力学模型;通过ANSYS软件,用Newmark方法,分析钻柱承受任意随时间变化的钻压的动力响应,提取钻柱上的危险点。实例计算和分析结果表明,钻柱的实际断点一般都接近危险点,且断点处交变应力的变化幅度比较大,从而为钻柱的失效和断裂提供了理论依据。     

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

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减振器是深井钻柱防断的主要工具之一，它的安放位置是工程中极为关注的技术问题。为此选取整体钻柱为研究对象，考虑了井架、钢丝绳的刚度以及泥浆的阻尼作用，建立起深井整体钻柱振动分析力学模型，并运用动力有限元法对钻柱的纵向振动进行了分析计算，根据钻柱的固有频率、响应位移和轴力值确定出减振器的最佳安放位置。经大庆油田深井典型钻具分析计算，给出了减振器在井深３０００～４０００ｍ时的最佳安放位置，对过去那种减振器放在近钻头处最佳的认识进行了比较。现场试验表明，减振效果明显，对降低钻柱的断裂事故起到了重要作用。     

钻柱纵向受迫振动的广义传递矩阵法

钻柱纵向受迫振动的研究在钻柱的三种振动形态中最为重要。本文建立了能更真实反映钻柱系统的纵向受迫振动模型,此模型适合于任意组合钻柱。分析钻柱各种能量损耗后,给出钻柱纵向振动时的阻尼系数计算公式。根据钻柱纵向受迫振动的特点,本文提出广义状态向量的新概念,并且用此向量描述钻柱的振动状态。用广义传递矩阵方法研究钻柱纵向受迫振动的一般规律,克服了直接求问题的解析解存在的困难。文章给出计算任意组合钻柱系统的纵向受迫振动的稳态响应的一般公式和不同测量条件下求状态向量的不同途径。     

反转激发的以拍形式存在的钻柱横向振动

在钻井过程中,横向振动对钻柱的影响十分显著。为了解决横向振动造成的钻柱失效问题,建立了钻柱横向振动的微分方程,获得了钻柱横向振动的基本规律。结合大庆油田升深7井,对钻柱横向振动进一步分析得到:反转是造成横向振动的主要原因,反转转速与环隙比有关,当环隙比较小时,反转转速与自转转速基本呈线性关系,当环隙比较大时,反转转速会出现偏离理论值的现象; 在研究钻柱横向振动时,钻柱横向振动固有角频率不仅与钻柱本身的性质有关,还与钻柱所受静态轴向载荷有关,钻柱振动部位距中和点的距离不同,重力与浮力对钻柱振动频率的影响也不同; 反转所激发的横向振动一般以拍的形式出现,由弯曲应力波叠加而成; 在钻柱既有反转又有自转的情况下,当弯曲应力角频率与钻柱横向振动固有角频率接近时,钻柱发生横向共振。