水平井直井段钻柱固液耦合横向振动分析

针对钻柱共振导致的钻具疲劳失效问题,以西南地区某水平井直井段钻柱为研究对象,采用流体数值计算软件,建立了钻柱内、外壁压力关于井深的函数。基于动力学理论,考虑钻柱内、外不同密度钻井液与钻柱耦合作用,通过有限元软件进行了水平井直井段钻柱横向振动分析,研究了钻铤长度和减震器安装位置对钻柱横向振动固有频率的影响规律,指出钻柱长度一定时,钻铤越长,钻柱横向振动的固有频率越大;安装减震器时,减震器安装位置与钻头距离增加,钻柱横向振动的各阶固有频率增大。研究结果可为水平井施工提供一定的指导。     

钻柱外钻井液对钻柱横向振动的影响

将钻井液假设为理想流体，在不考虑钻井液沿轴向流动的情况下，引入附加质量和附加质量系数的概念。讨论了钻柱与井壁环形空间内钻井液对钻柱横向振动的影响。举例计算结果表明，钻柱外钻井液所引起的附加质量与钻柱本身的质量为同一数量级，尤其当井筒直径相对较小时，附加质量与钻柱本身的质量几乎相等。在对钻柱进行动力学分析时，这一有限空间内的钻井液对钻柱横向振动的影响是不可忽视的，而这种影响主要取决于井筒直径和钻柱外径的比值。     

钻井液对钻柱横向振动和稳定性的影响

作者在假设无扶正器的钻柱为均质等截面弹性管、两端为铰支座的条件下,研究了钻井液流动对钻柱横向振动和稳定性的影响,导出了振动的频率方程和失稳的临界方程。钻井液在钻柱内流动将增加钻柱横向振动惯性质量、侧向惯性作用力和诱导钻柱振动。当钻柱的轴向力一定时,钻井液流速增大,钻柱横向振动频率降低。流速大于钻柱振动基频为零的流速时,钻柱将发生失稳现象。     

深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因。钻柱在深井段处在一个高温的环境下,温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。为此,分析了井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响,推导出井下任意温度时在轴向力作用下钻柱横向振动固有频率的计算公式。通过实际算例,分析了考虑轴向力因素时井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响。计算结果表明随着温度的升高,钻柱横向振动的固有频率逐渐降低,其降低的幅度随着轴向压力的增大而增大;轴向压力较大时,温度对钻柱横向振动一阶固有频率的影响远大于对二阶固有频率的影响;轴向压力对钻柱一阶固有频率随温度变化的影响程度远大于轴向拉力的影响程度。     

钻柱在内外钻井液流共同作用下的横向振动

利用固液耦联振动理论的较新研究成果，在建立考虑内外钻井液液动压力的钻柱横向振动数学模型基础上，给出了求解其固有频率和振型函数的方法和步骤，并就钻柱在内外始并液流共同作用下的钻柱横向振动问题进行了机理分析。     

钻井液对钻柱固有振动特性的影响

钻柱在钻井过程中主要进行旋转向下的运动，同时伴随纵向、横向、扭转和耦合振动。振动是导致钻柱失效的主要原因，而钻井液又是影响钻柱振动的关键。利用ANSYS软件建立钻柱整体有限元模型，采用Block Lanczos法进行固有振动特性分析，得出钻井液密度对钻柱纵向、横向和扭转振动固有频率及振幅的影响规律。钻井液密度降低，导致钻柱固有振动频率升高，振幅增大；钻井液的阻尼作用导致钻柱横向振动从钻头处开始向上逐渐减弱，直到井口处完全消失；当外界激振频率达到某种程度时，钻柱发生纵向和横向、横向和扭转耦合振动，导致振动更加剧烈。     

钻柱内钻井液流动对钻柱横向振动的影响

在假设无扶正器钻柱为均质等截面弹性管,两端为铰支的条件下,研究了钻柱内钻井液流动对钻柱横向振动的影响。钻柱内的钻井液增加了钻柱横向振动的惯性质量。在一般情况下,钻井液流动对钻柱的横向振动频率影响很小,既不会诱发钻柱振动,也不会使钻柱失稳。     

扶正器作用下的钻柱横向振动分析

以往对钻往横向振动的研究大都是将钻柱假设为两端铰支的简文梁，而没有考虑扶正器的作用。基于此，采用连续梁钻柱模型，推导出扶正器作用下的钻柱横向振动的频率方程和振型函数的精确解析式。所得公式对轴向受压钻柱、轴向受拉钻柱、无轴向力钻柱和有任意个扶正器及考虑钻柱自重等各种情况都适用。比较了连续梁钻柱模型和简支梁钻柱模型在固有频率和振型等方面的不同。通过实例分析，说明了扶正器数目越多，轴向压力对固有频率的影响越小，钻柱失稳临界压力就越大，即稳定性就越好。     

钻井液液动压力对钻柱纵向振动的影响

从理论上研究了钻井液在钻柱弹性振动下的液动压力对钻柱纵向振动的影响,建立了考虑钻井液液动压力的钻柱纵向振动微分方程,并给出了这种情况下钻柱纵向振动的频率方程。     

钻井液对钻柱振动特性影响分析

针对空气钻井存在钻具使用寿命短、钻具失效严重、钻具成本高的问题,应用ANSYS软件,建立了钻柱振动有限元模型,并对液体动力效应和浮力效应的淹没管道单元进行了数值模拟计算。以普光102-2井为例的计算结果表明,钻井液对钻柱振动特性有较大影响。考虑钻井液影响后,钻柱纵向和横向振动各阶固有频率均有较大程度降低,且随钻井液密度增大固有频率缓慢降低;但钻井液对扭转振动特性影响较小。谐响应表明,钻井液动力效应使钻柱低频共振响应加强,高频共振响应减弱,说明钻井液阻尼作用对钻柱的动力安全性有一定的积极意义,这正好与普光102-2井的典型钻柱失效事故的分析结果相吻合。     

钻柱横向非线性振动分析

以往的钻柱横向振动研究大都忽略了非线性因素, 为此应用摄动法分析了钻柱横向非线性振动, 推导出钻柱横向非线性振动的频率和主振动的一次摄动解公式。分析公式表明, 钻柱横向线性振动仅是钻柱横向非线性振动的一种特殊情况; 非线性因素提高了钻柱横向振动的频率, 改变了主振动的性态, 使其不再成为简谐运动; 非线性因素对频率的影响程度随着振幅、轴向压力和钻柱长度的增大而增加。对于受较大轴向压力作用长钻柱的横向振动, 应当考虑非线性因素的影响。     

钻井液影响下多扶正器钻柱振动的理论分析

根据动力学基本理论的分析认为,钻井液流体对多扶正器钻柱横振振型的影响主要来源于流体的科氏惯力。据此,推导了考虑钻井液流动影响的多扶正器钻柱横向振动的微分方程,并用拉普拉斯变换理论中的有理分式反演法、延迟定理、位移定理、卷积定理等求解了该微分方程,给出了考虑钻井液流动影响的多扶正器钻柱横向振动的频率方程和振型函数的精确解析式。与忽略钻井液影响的结果比较,其频率方程,振型函数要复杂得多,需要用计算机编程求解,但这一新的课题有待继续研究。     

初弯曲对钻柱横向非线性振动的影响

应用摄动法对具有一定初弯曲的钻柱横向非线性自由振动进行了研究。推导出了钻柱横向非线性振动的基频和一阶主振动的一次摄动解公式 ;讨论了初弯曲对钻柱横向非线性振动的影响。结果表明 ,初弯曲对钻柱横向线性振动没有影响 ;钻柱横向非线性振动的基频随着初弯曲最大挠度的增大而减小 ,初弯曲对钻柱横向非线性振动基频的影响随钻柱长度的增大而增大 ,随轴向压力的影响而增加。建议对于具有较大初弯曲且受有较大轴向压力的长钻柱的横向非线性振动应当考虑初弯曲的影响。     

钻井液阻尼对钻柱动力失稳的影响

人们研究钻柱动力失稳时，往往忽略钻井液阻尼的影响，实际上钻井液阻尼对钻柱的振动是一个极其重要的影响因素。据此，研究了钻井液阻尼对钻柱动力失稳的影响。推导出钻井液阻尼时钻柱动力失稳区域的计算公式，讨论了钻柱动力稳定性与钻压及钻柱长度的关系。实例分析表明，钻井液阻尼有利于提高钻柱的动力稳定性，钻井液的流速越大，钻柱动力稳定性就越好，其失稳区域越小；钻压越大，钻柱越长，钻柱的动力稳定性就越差，其失稳区域就越大。     

水平井侧钻过程中钻柱横向振动规律的研究

在水平井的侧钻过程中,钻柱很容易发生横向振动,引发钻柱失效、井眼扩径等严重事故。鉴于此,全面地分析了侧钻水平井钻柱的横向振动,以近井底长钻柱单元为研究对象建立了这种振动的力学模型,研究了横向振动的动力学规律,获知了钻柱横向振动的共振频率的分布规律。振动规律的实际应用反映了钻柱横向振动规律理论分析的正确性。侧钻水平井钻柱横向振动规律的研究对水平井在侧钻过程中保持井壁稳定、减少钻柱失效、提高钻速和降低钻井成本具有重要的理论价值和实际意义。     

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。