深井钻柱粘滑振动特性分析

粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期。为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程。基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响。结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制。     

钻柱系统粘滑振动稳定性分析及减振方法探讨

随着深井、超深井的发展,钻柱系统粘滑振动严重影响着钻井速度、钻井成本和钻井安全。钻头切削岩石的摩擦力是钻柱系统发生粘滑振动的主要因素。针对钻头切削岩石的实际工况,分析了钻头—岩石的切削模型,建立了其相互作用的摩擦模型,得出钻头处扭矩随转速的变化趋势。从能量守恒出发,分析了钻柱系统粘滑振动的稳定性,计算得出了钻柱系统粘滑振动稳定时的临界钻压。将临界钻压公式描绘成钻柱振动状态的钻压—转盘转速关系图,并在此基础上探讨了粘滑振动的减振方法,以期为钻井过程中减少钻柱的粘滑振动提供参考。     

超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析

粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论。采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征。结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11 Hz,粘滑振动周期约为9.0 s,粘滞时长达4.0 s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0 r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动。频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动。研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用。      

钻柱粘滑振动仿真和控制策略研究

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转刚度、粘滞阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦。通过MATLAB/Simulink仿真模块对该模型进行仿真试验,分析了实际钻井过程中钻柱产生的粘滑振动特性。为抑制钻柱的粘滑振动,设计1套基于PID控制策略的双闭环控制系统。该研究结论对工程实践中钻柱粘滑振动的抑制具有重要意义。     

PDC钻头粘滑振动机理分析

建立扭转摆理论分析模型及钻头的运动方程,分析钻头粘滑振动的边界条件,研究钻头的运动形式及粘滑振动机理与影响因素。结果表明:钻头切削岩石时主动扭矩的循环积聚与释放以及钻柱与井壁的摩擦是引起粘滑振动的主要原因;钻头不稳定的受力是造成PDC钻头失效的主要原因。粘滑振动与钻井参数、地层特性、钻具参数及钻井液性能等有关,调整钻井参数,或使用水力加压器、扭转冲击器等工具可以减少振动。     

大位移井钻柱粘滑振动机理分析及减振研究

通过将钻柱系统等统一成一个集中质量摆,分析了在非线性钻头扭长和钻柱与井壁间摩扭矩作用下钻柱系统的稳定性,并从钻柱氯转振动能量度,阐明了钻柱产生的粘滑振动的原因,在对非线性钻头扭矩和钻柱与井壁间摩扭矩进行适当简化的基础上,给出了钻柱产生的粘滑振动的判别式,分析了钻柱粘滑振动的影响因素及防止和消除钻柱粘滑振动可能 的途径和措施,并对顶部扭矩负反馈减振方法进行了讨论,给出了其数值模型拟结果。     

井下粘滑振动强度量化评估方法研究与应用

井下钻具粘滑振动是影响钻头破岩效率,引发钻具失效的主要因素之一。建立井下钻具力学模型,能够量化评价粘滑振动强度、提高钻头破岩效率、降低钻具事故。为此,依据粘滑振动表现特征定义了三种主要类型粘滑振动。在牛顿运动方程的基础上,建立了频率域下,单自由度、有阻尼钻柱受迫粘滑振动预测模型,对描述井下钻柱受力状态更加准确。在此基础上,采用半解析传递矩阵方法建立粘滑振动状态下钻柱各点内力波动变化与地表参数变化特征响应关系,减少了模型求解所涉及到的未知变量,提高了计算效率。同时,将粘滑振动状态下的钻柱响应特征的表征参数整合成一个综合指数,实现了粘滑振动强度量化评价。井下振动存储式测量短节对模型计算结果现场试验验证,振动强度计算结果与实际测量值基本相符,机械钻速同比提高20%以上。 建立的井下粘滑振动强度评价方法能够改善钻头破岩效率并保护钻具。     

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。     

钻柱的粘滑振动

粘滑振动作为一种新的机理被用来解释油气井钻探中的大幅扭转振动。按照新的机理,油田数据记录被确证与模拟。从数值模拟得到的分析结果以95.6％的精度与油田数据一致。钻柱粘滑振动之物理现象可用相平面中相轨迹的产生加以解释。钻井中的冲击现象也可用粘滑振动来解释。本文将讨论粘滞阻尼、转速与固有频率对粘滑振动的影响。     

井下钻柱振动信号的测量及振动激励源研究

为深入认识钻井过程中井下钻柱振动的特征、明确振动激励源,利用ESM存储式测量系统对某超深井旋转钻进过程中的振动信号进行了测量,并分析了钻柱粘滑和涡动的主要特征;以此为基础,分别采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对钻柱振动信息进行频域和时频分析,确定了引起钻柱振动的主要频率,进而明确了其振动激励源。研究发现:钻柱发生粘滑运动时,三轴加速度呈同步周期性变化,其周期为10 s,主要频率成分为0.1 Hz;钻柱发生涡动时,三轴加速度均呈杂乱无章的不规则波动,主要振动频率为钻头转速的2倍频、转盘转速的1～5倍频。实例分析结果表明,引起钻柱涡动的激励源主要有钻头与地层的相互作用、稳定器或Power-V系统与井壁的摩擦等,为制定减振措施提供了理论依据。      

钻头扭转向侧振动的动态稳定性方法研究

本文论述了聚晶金刚石复合片钻头的敏感扭转和侧向振动下的动态稳定性。通过使用下述三个简单的机械系统，研究了动态稳定性：１．钻柱扭转振动；２．钻头侧向振动；３．钻头与钻柱总成的耦合扭转和侧向振动。对每个系统，都确定了系统动态稳定的转速／钻压的定义域。通过研究各种钻柱和钻头参数对转速／钻压曲线图上稳定区大小的影响，研究了它们对钻头运动稳定性的影响。这些都有力地说明了用稳定性方法对影响钻头稳定性的主要参数     

钻头扭转和侧向振动的动态稳定性方法研究

本文论述了聚晶金刚石复合片钻头的感应扭转和侧向振动下的动态稳定性。通过使用下述三个简单的机械系统，研究了动态稳定性：１．钻柱扭转振动；２．钻头侧向振动；３．钻头与钻柱总成的耦合扭转和侧向振动。对每个系统，都确定了系统动态稳定的转速／钻压的定义域。通过研究各种钻柱和钻头参数对转速／钻压曲线图上稳定区大小的影响，研究了它们对钻头运动稳定性的影响。这些都有力地说明了用稳定性方法对影响钻头稳定性的主要参数可提供极其有价值的定性资料。     

南海超深水取样钻柱纵向粘滑振动分析

针对南海超深水天然气水合物取样钻柱纵向粘滑振动问题,推导了纵向振动微分方程,采用非线性弹簧单元模拟了钻柱与岩层之间的粘滑摩擦。通过数值求解得到了钻柱纵向振动频率及振动位移,探讨了钻压、钻铤长度及作业水深对钻柱纵向振动的影响。结果表明:钻柱低阶振动频率所对应外载激励周期为1.5~4.0s,接近南海波浪运动周期,钻柱发生低阶共振几率较大;钻压的增加,使得钻柱振动位移减小;钻铤长度及作业水深的增加使得钻柱振动频率减小、振动位移增加,南海环境下钻柱更易发生低阶共振;钻柱发生1阶共振时振动位移约为近频率振动位移的8倍,共振危害程度较大。     

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。     

牙轮钻头及钻柱系统扭转振动仿真模型

利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法 ,在考虑了钻头与岩石互作用力学模型的基础上 ,建立了钻头和钻柱扭转振动动力学仿真模型。通过仿真计算可预测钻头处阻力扭矩、钻柱顶部扭矩和钻头转速的变化情况。对 8 英寸XHP2S钻头做了仿真 ,结果表明 ,钻头处受岩石的阻力扭矩是随机变化的 ,并有负扭矩出现 ,扭矩的变化幅值随静钻压的增加而增加 ;钻柱顶部转盘施加的扭矩变化不如底部剧烈 ;钻头的转速在局部有较小的波动 ,其总体变化较为平缓。     

高频扭转冲击器的PDC钻头适用性研究

在钻进深部硬质地层时,由于粘滑振动的存在,钻头经常出现剧烈的转速与扭矩波动,对钻进有很大的影响。基于高频扭转冲击器的工作特点,建立了入射波应力模型和系统的能量传递效率模型。通过对模型因素分析,优选PDC钻头适用性结构。研究结果表明:PDC钻头质量越小,高频扭转冲击器冲击速度越大,冲击器向PDC钻头传递的应力波随时间衰减的越慢;PDC钻头截面积越大,系统的能量传递效率越高;PDC钻头长度越长,沿途损失的能量越多,能量传递效率与长度近似成线性变化;由现场应用效果可知,高频扭转冲击器和优选的PDC钻头配合使用,提高机械钻速1倍以上。     

钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,这种振动携带了井下钻头、所钻地层和钻柱的信息.利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井.对钻柱振动录井技术的基本原理、钻柱振动特征、测量仪器、数据处理方法和存在的主要问题及发展趋势作了系统分析,认为:钻柱振动录井可用于井下工况监测、地层评价与钻前预测,具有很好的发展前景;钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析、独立成分分析等;无线传输、多参数、多分量钻柱振动测量手段的应用将有助于信号分析和井下信息提取.     

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。     

分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。     

扭转冲击钻具设计与室内试验

常规钻具在钻硬地层时机械钻速低,钻头失效快,钻井成本高。为此,设计了扭转冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成扭向的、高频的机械能并直接传递给PDC钻头,给钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击,当与钻柱稳态扭矩相结合时,能对钻头施加高效的破岩扭矩,大幅减小或消除钻头的粘滑振动,在保证井身质量的同时提高机械钻速,延长钻头寿命。对扭转冲击钻具的关键部件——扭转冲击副的运动可行性分别进行了仿真分析和室内试验。结果表明,扭转冲击副运转顺利,滑动块与传动轴周期性的碰撞可对传动轴施加周期性的低幅高频扭向冲击。