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。     

深井中钻柱动力学机理研究

为合理设计深井中的钻柱结构，提高钻具寿命，防止井下断钻具事故，讨论了钻柱的纵向振动、横向振动、扭转振动及进动之间的相互耦合关系，并指出了钻柱振动的危害和减少振动的现场措施。介绍了两种研究钻柱振动动力学的方法──有限元法和机械阻抗法。经举例说明深井中大井眼小钻铤的危害性，认为大井眼小钻铤的环空较大，钻铤的刚度较弱，在轴向力作用下易屈曲，激发横向振动，且钻铤的横向变形较大，因振动引起的交变应力也较大；纵向振动易出现动力失稳而诱发横向振动，横向振动又易诱发扭转振动。建议使用大井眼大钻铤设计方案。     

深井钻具组合设计研试成功

本报讯由大庆钻井研究所开展的“深井钻具组合设计课题”最近通过了局技术专家鉴定。该课题是“深井配套”技术攻关项目之一，在研究中主要做了以下6项工作：①钻挺螺纹选择符合API标准，并考虑扣弯曲强度比因素；②定量给出了钻错螺纹联接的受力分布规律，提出了紧扣扭矩、轴向力对受力分布的影响；③用有限元法研究钻柱纵向振动的动力响应，给出了减振器的最佳安放位置，钻挺刚度对钻柱动力响应的影响；④设计出适合350～500干牛钻压直径3if毫米井眼的钻具组合；⑤应用传递矩阵法提出了钻柱纵向和扭转振动固有频率的计算模式；③应用计…     

井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

利用根据相似理论设计出的底部钻柱动力学研究试验装置,进行了井底光钻铤钻具在不同钻压、转速条件下旋转及钻压波动规律的试验研究.试验结果表明:光钻铤钻具组合在井底的旋转大部分为正向涡动及谐波振动,要想使其产生反向涡动必须合理选择钻进参数;使用光钻铤钻具组合时井底钻压振动幅度较大;单从减轻钻柱振动危害方面讲,不建议采用光钻铤钻具组合,但从利用井下钻柱纵向振动能量提高深井机械钻速的角度看,该钻具值得推荐;光钻铤钻具组合的防斜机理有待于进一步研究.     

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。     

钻柱振动模态分析方法及其应用

根据振动理论和有限元方法,研究了钻柱振动的模态。考虑钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动之间的耦合关系,建立了钻柱振动分析的综合模型。结合实例研究了钻柱振动的固有频率及其振型,分析了跳钻和蹩钻情况下钻柱的共振频率及临界转速。该分析研究对探讨钻柱的动力学特性和现场钻具防断具有一定的意义。     

在役钻柱的纵向振动模型的分析与研究

钻柱振动分析是一个非常复杂的动力学问题，也是国内外钻井界正在深入研究的问题。实际钻井中的钻柱振动可能是纵向振动、横向振动或扭转振动以及它们相互祸合的振动，钻柱的疲劳破坏、粘扣现象和大部分刺扣泄漏事故也都与钻柱振动有直接关系，特别是与钻柱的纵向振动有关，为减少纵向振动在钻井过程中的危害，优化钻具组合避免纵向共振，建立了钻柱的纵向振动模型并给出了相应的边界条件、初始条件和振动方程，为进一步研究钻柱的振动问题打下基础。     

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。     

井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响分析

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因之一，钻柱工作在井下一个高温的环境下，温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。分析了井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响，推导出了井下任意温度时钻柱轴向振动固有频率的计算公式。通过实际算例，分析了井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响。计算结果表明：钻柱轴向振动固有频率随着温度的升高而降低，其降低的幅度随着钻杆长度的增大而增大；当井下温度不超过200℃时，钻柱轴向固有频率的变化幅度不会超过常温下计算值的6．7％。任意温度时钻柱轴向振动固有频率与温度成近似线性关系，可以根据常温下的计算值和温度值通过一个简单的一次函数来计算。     

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

气体钻水平井的钻柱振动分析

在水平井的钻井过程中,钻柱处于复杂的运动状态,振动是一种常见的现象,钻柱的共振是引发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大,容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象,利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动,建立了钻柱各种振动的模型;通过实例分析获得了钻柱振动的规律,得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。     

分体轴承式减扭防磨工具设计与安全性分析

在大位移井和狗腿度超标的深直井中,钻柱接头或本体与套管或岩石产生摩擦与碰撞,钻柱承受大的摩擦扭矩,长时间工作后钻柱局部壁厚减薄而导致钻具断裂失效,套管也会发生过量磨损,降低油井寿命。为解决该问题,设计了一种销栓连接分体轴承式减扭防磨工具,工具的轴承及复合套可分别减少扭转和轴向的摩擦阻力,且可吸收横向振动。对φ139.7 mm(51/2英寸)规格工具的主要承载件及易损件进行了安全性分析。结果表明,本体、钢球和螺栓工作安全性高,该工具可用于大位移井和深直井的钻井作业。     

冲旋钻井中钻柱纵向振动模型的建立与求解方法

根据动力学的基本理论分析认为 ,影响冲旋钻井中钻柱纵向振动的因素主要来自钻头与井底岩石的相互作用和冲击器的冲击作用。据此 ,在适当的简化条件下 ,利用弹性杆理论和单元法建立了在冲击器作用下的钻柱纵向振动的动力学模型 ,并采用数值差分法求解了这一模型 ,与旋转钻井情况下的结果进行了比较。为进一步研究钻柱在冲旋钻井中的实际运动规律和动力学性能 ,推广冲旋钻井技术在油气田中的应用奠定了基础。     

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。     

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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。     

钻具振动对FEWD井下仪器的影响及预防措施

在水平井地质导向钻井过程中，井下钻具振动易导致井下FEWD测量仪器损坏，造成巨大经济损失。分析认为，钻井参数、井斜角、钻具组合和钻头是导致井下钻具振动的主要原因，防止FEWD测量仪器因井下钻具振动而损坏的一种最有效的方法就是通过井下传感器DDs监测井下钻具的振动。结合振动传感器DDS的工作特点，分析了DDS测量值与钻具振动的关系，给出了几种典型钻具振动（包括钻头弹跳、扭转振动、钻头涡动、钻具涡动、横向振动和振动耦合）出现时的DDS测量值变化情况，提出了相应的预防和控制井下钻具振动的技术措施。以桩12-平3井为例，介绍了井下钻具振动的判断与控制措施的实施情况。准确判断井下钻具振动并采取相应的技术措施对于有效保护FEWD测量仪器、提高钻井综合效益具有重要意义。     

大位移井钻柱纵向振动理论计算与ANSYS分析

钻柱振动是导致钻柱失效、疲劳损坏的主要原因,本文结合钻柱动力学理论以及运动微分方程,并通过ANSYS软件对大位移井钻柱的纵向振动模型的建立和分析做了合理的假设,经过ANSYS分析计算得出大位移并全井段钻柱的振动规律,对钻柱的合理设计和正常钻进有一定的指导意义。     

斜井眼内钻柱轴向振动的有限元分析

在斜井眼（弯曲井眼）钻进过程中．钻柱存在各种振动行为，其中跳钻是制约斜井钻进的主要因素之一．跳钻是由于钻柱轴向强烈振动引起的。严重跳钻现象表明斜井眼内钻柱的轴向振动是不能忽略的。以斜井眼的钻柱整体为研究对象．分析了钻柱整体在周期性激振力存在情况下轴向动态行为所遵循的规律。采用有限元法，对钻柱整体进行了分析，获得了钻柱整体的质量和刚度矩阵．进一步获得了动力学矩阵方程，并编制了计算程序．计算出了钻柱轴向振动的固有频率．结果表明受迫振动频率与钻柱固有频率接近时出现跳钻现象。这为深入研究斜井眼内钻柱动态行为提供了理论依据，并为进一步分析大位移井钻柱振动奠定了理论基础．具有现实的指导意义。